專利名稱：金屬表面羥基磷灰石材料的雙激光涂覆方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于生物醫(yī)學(xué)工程中材料涂覆技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種金屬表面羥基磷灰石材 料的雙激光涂覆方法。
背景技術(shù)：
金屬材料的植入性假體主要用于人體需要抗重力負(fù)荷的部位(如人造四肢和人 造關(guān)節(jié))，而生物活性復(fù)合材料、陶瓷材料在負(fù)荷較輕的部位有其發(fā)展前景(如牙齒、面部 矯形手術(shù)等)。羥基磷灰石[Caltl(PO4)6(OH)2] (Hydroxyapatite簡(jiǎn)稱HAp或HA)是構(gòu)成人體 骨骼、牙齒的無(wú)機(jī)質(zhì)，具有良好的生物相容性。在普通合成的生物材料中添加羥基磷灰石可 顯著改善材料對(duì)成骨細(xì)胞的黏附和增殖能力，促進(jìn)新骨生成。這種特性非常適用于需要快 速起效的假體植入性手術(shù)中。雖然羥基磷灰石具有顯著的生物兼容性，但是它的陶 瓷性能， 特別是低強(qiáng)度、低抗擊性和脆性制約了羥基磷灰石作為整體材料的應(yīng)用。而鈦合金恰好彌 補(bǔ)了這一缺陷，利用其高強(qiáng)度和高韌性特點(diǎn)，該類材料已被廣泛應(yīng)用于矯形外科手術(shù)，甚至 包括心臟植入性支架、起搏器和瓣膜等。但是，鈦合金材料的骨質(zhì)黏附性很差，常常會(huì)出現(xiàn) 人工關(guān)節(jié)或其他假體的無(wú)菌性松動(dòng)現(xiàn)象。鈦合金羥基磷灰石涂層材料在具備金屬材料的高 強(qiáng)度和高韌性的同時(shí)，也具備羥基磷灰石的良好生物活性。目前常用的鈦合金羥基磷灰石涂層方法有離子束濺射噴涂法、涂覆_燒結(jié)法、溶 膠_凝膠法、電化學(xué)反應(yīng)法、等離子噴涂法、激光燒結(jié)覆熔法、激光激發(fā)沉淀法等。其中激 光涂層方法由于其容易控制和操作簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，正在日益引起關(guān)注。申請(qǐng)人的前置申請(qǐng) 專利“一種鈦基金屬表面進(jìn)行羥基磷灰石粉末的新型激光涂層工藝”(發(fā)明專利申請(qǐng)?zhí)?CN200810121880. 2)通過(guò)近紅外激光直接照射預(yù)先敷設(shè)在鈦合金表面的羥基磷灰石進(jìn)行涂 層。該方法雖然具有工藝簡(jiǎn)單、涂層厚度及羥基磷灰石的比例可控性好的特點(diǎn)，但是在實(shí)際 操作中存在預(yù)敷層均勻度難以控制、如果預(yù)敷層太厚，激光掃描后羥基磷灰石與基體材料 結(jié)合強(qiáng)度不夠等缺陷。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供了一種金屬表面羥基磷灰石材料的雙 激光涂覆方法。本發(fā)明方法所使用的裝置包括脈沖激光器、反射透射鏡、第一反射鏡、第二反射 鏡、聚焦鏡、密封腔體、真空泵、第一透明窗體和第二透明窗體。密封腔體上開有兩個(gè)透明窗體，分別為第一透明窗體和第二透明窗體，第一透明 窗體所對(duì)應(yīng)的光路上依次設(shè)置有聚焦鏡、反射透射鏡和脈沖激光器，反射透射鏡的正上方 設(shè)置有第一反射鏡，第二透明窗體的正上方設(shè)置有第二反射鏡，第一透明窗體和第二透明 窗體所在的軸線相互垂直，密封腔體側(cè)向的真空泵用來(lái)抽取腔內(nèi)的氣體，密封腔體放置有 涂層材料標(biāo)靶和基體鈦金屬材料。本發(fā)明方法的具體步驟是
步驟(1)將羥基磷灰石粉末在高溫高壓環(huán)境下(壓強(qiáng)90 llOMPa，溫度450 5500C )壓成餅狀，并燒結(jié)3 5小時(shí)，作為涂層材料標(biāo)靶；步驟(2)將涂層材料標(biāo)靶和基體鈦金屬材料(鈦或鈦合金)平行放置于密封腔體 內(nèi)，并與水平的激光光路成45°角。涂層材料標(biāo)靶和基體鈦金屬材料平行相距5 10厘
米。
步驟(3)將密封腔抽成真空(氣壓抽至IPa以下)，然后充入水蒸汽或水蒸汽與氬 氣混合體至氣體壓強(qiáng)為30 120Pa，并保持該壓強(qiáng)，整個(gè)涂層過(guò)程在此壓強(qiáng)下進(jìn)行。步驟(4)脈沖激光器發(fā)出激光，激光束投射到透射反射鏡，其中透射后的光束依 次通過(guò)聚焦鏡、第一透明窗體進(jìn)入密封腔體，投射到與光路成45度的涂層材料標(biāo)靶上。激 光參數(shù)為重復(fù)頻率IOHz 30Hz，聚焦后能流密度為0. 7 1. 5J/cm2在透射反射鏡處發(fā)生反射的激光，經(jīng)過(guò)第一反射鏡、第二反射鏡后從密封腔體上 的第二透明窗體投射到與光路成45度的基體鈦金屬材料上，該路激光的能流密度為0. 1 0. 2J/cm2，在基體鈦金屬材料上形成的光斑直徑約3 8mm。步驟(5)聚焦的脈沖激光對(duì)密封腔體中的涂層材料標(biāo)靶進(jìn)行激發(fā)，激發(fā)產(chǎn)生的羥 基磷灰石顆粒吸附到基體鈦金屬材料上，同時(shí)未聚焦的脈沖激光對(duì)密封腔體中的基體鈦金 屬材料加熱，使基體鈦金屬材料上光斑區(qū)的溫度保持在400°C以上，從而完成該光斑區(qū)內(nèi)羥 基磷灰石材料的涂覆。步驟(6)調(diào)整基體鈦金屬材料的光斑區(qū)位置，重復(fù)步驟(5)直到基體鈦金屬材 料的整個(gè)外表面均完成羥基磷灰石材料的涂覆為止，這樣在基體鈦金屬材料上形成1 10 μ m厚的羥基磷灰石涂層。本發(fā)明方法中的激光激發(fā)涂層材料，使得涂層材料能與多種基體材料結(jié)合并且結(jié) 合速度快，激光覆熔涂層能改善涂層材料的結(jié)晶度并使涂層材料與基體材料結(jié)合粘合度增 加。
圖1為本發(fā)明方法所使用的裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式以下結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明。如圖1所示，進(jìn)行金屬表面羥基磷灰石材料的雙激光涂覆方法所使用的裝置包括 脈沖激光器1、反射透射鏡11、第一反射鏡2、第二反射鏡3、聚焦鏡10、密封腔體8、真空泵 5、第一透明窗體9和第二透明窗體4。激光器1發(fā)出的激光為Nd:YAG激光或ArF(波長(zhǎng) 193nm)準(zhǔn)分子脈沖激光。本發(fā)明中的激光源也可以選用兩個(gè)，并不一定需要從同一激光源 中分離出兩路。密封腔體8上開有兩個(gè)透明窗體，分別為第一透明窗體9和第二透明窗體4，第一 透明窗體9所對(duì)應(yīng)的光路上依次設(shè)置有聚焦鏡10、反射透射鏡11和脈沖激光器1，反射透 射鏡11的正上方設(shè)置有第一反射鏡2，第二透明窗體4的正上方設(shè)置有第二反射鏡3，第一 透明窗體9和第二透明窗體4所在的軸線相互垂直。密封腔體8側(cè)向的真空泵5用來(lái)抽取 腔內(nèi)的氣體，密封腔體8內(nèi)放置有涂層材料標(biāo)靶6和基體鈦金屬材料7。
利用上述裝置進(jìn)行金屬表面羥基磷灰石材料的雙激光涂覆方法的具體實(shí)施例如 下實(shí)施例1步驟(1)將羥基磷灰石粉末在壓強(qiáng)為90MPa，溫度為550°C環(huán)境下壓成餅狀，并燒結(jié)3小時(shí)，作為涂層材料標(biāo)靶；步驟(2)將涂層材料標(biāo)靶和基體鈦金屬材料(鈦或鈦合金)平行放置于密封腔體 內(nèi)，并與水平的激光光路成45°角。涂層材料標(biāo)靶和基體鈦金屬材料平行相距5厘米。步驟(3)將密封腔抽成真空(氣壓抽至IPa以下)，然后充入水蒸汽或水蒸汽與氬 氣混合體至氣體壓強(qiáng)為30Pa，并保持該壓強(qiáng)，整個(gè)涂層過(guò)程在此壓強(qiáng)下進(jìn)行。步驟(4)脈沖激光器發(fā)出激光，激光束投射到透射反射鏡，其中透射后的光束依 次通過(guò)聚焦鏡、第一透明窗體進(jìn)入密封腔體，投射到與光路成45度的涂層材料標(biāo)靶上。激 光的重復(fù)頻率30Hz，聚焦后能流密度為1. 5J/cm2。在透射反射鏡處發(fā)生反射的激光，經(jīng)過(guò)第一反射鏡、第二反射鏡后從密封腔體上 的第二透明窗體投射到與光路成45度的基體鈦金屬材料上，該路激光的能流密度為0. 2J/ cm2，在基體鈦金屬材料上形成的光斑直徑約3mm。步驟(5)聚焦的脈沖激光對(duì)密封腔體中的涂層材料標(biāo)靶進(jìn)行激發(fā)，激發(fā)產(chǎn)生的 羥基磷灰石顆粒與腔體內(nèi)充入的氣體混合形成等離子混合體，充滿整個(gè)腔室，部分羥基磷 灰石顆粒吸附到基體鈦金屬材料上，未聚焦的脈沖激光對(duì)密封腔體中的基體鈦金屬材料加 熱，使基體鈦金屬材料上光斑區(qū)的溫度保持在400°C以上(一般溫度保持400°C 600°C，即 在基體鈦金屬材料熔點(diǎn)以上)，從而完成該光斑區(qū)內(nèi)羥基磷灰石材料的涂覆。步驟(6)調(diào)整基體鈦金屬材料的光斑區(qū)位置，重復(fù)步驟(5)直到基體鈦金屬材料 的整個(gè)外表面均完成羥基磷灰石材料的涂覆為止，這樣在基體鈦金屬材料上形成10 μ m厚 的羥基磷灰石涂層。實(shí)施例2步驟(1)將羥基磷灰石粉末在壓強(qiáng)為lOMPa，溫度為500°C環(huán)境下壓成餅狀，并燒 結(jié)4小時(shí)，作為涂層材料標(biāo)靶。 步驟(2)將涂層材料標(biāo)靶和基體鈦金屬材料(鈦或鈦合金)平行放置于密封腔體 內(nèi)，并與水平的激光光路成45°角。涂層材料標(biāo)靶和基體鈦金屬材料平行相距8厘米。步驟(3)將密封腔抽成真空(氣壓抽至IPa以下)，然后充入水蒸汽或水蒸汽與氬 氣混合體至氣體壓強(qiáng)為70Pa，并保持該壓強(qiáng)，整個(gè)涂層過(guò)程在此壓強(qiáng)下進(jìn)行。步驟(4)脈沖激光器發(fā)出激光，激光束投射到透射反射鏡，其中透射后的光束依 次通過(guò)聚焦鏡、第一透明窗體進(jìn)入密封腔體，投射到與光路成45度的涂層材料標(biāo)靶上。激 光的重復(fù)頻率20Hz，聚焦后能流密度為1. 2J/cm2。在透射反射鏡處發(fā)生反射的激光，經(jīng)過(guò)第一反射鏡、第二反射鏡后從密封腔體 上的第二透明窗體投射到與光路成45度的基體鈦金屬材料上，該路激光的能流密度為 0. 16J/cm2，在基體鈦金屬材料上形成的光斑直徑約5mm。步驟(5)聚焦的脈沖激光對(duì)密封腔體中的涂層材料標(biāo)靶進(jìn)行激發(fā)，激發(fā)產(chǎn)生的 羥基磷灰石顆粒與腔體內(nèi)充入的氣體混合形成等離子混合體，充滿整個(gè)腔室，部分羥基磷 灰石顆粒吸附到基體鈦金屬材料上，未聚焦的脈沖激光對(duì)密封腔體中的基體鈦金屬材料加熱，使基體鈦金屬材料上光斑區(qū)的溫度保持在400°C以上，從而完成該光斑區(qū)內(nèi)羥基磷灰石 材料的涂覆。步驟(6)調(diào)整基體鈦金屬材料的光斑區(qū)位置，重復(fù)步驟(5)直到基體鈦金屬材料 的整個(gè)外表面均完成羥基磷灰石材料的涂覆為止，這樣在基體鈦金屬材料上形成7 μ m厚 的羥基磷灰石涂層。實(shí)施例3步驟(1)將羥基磷灰石粉末在壓強(qiáng)為llOMPa，溫度為450°C環(huán)境下壓成餅狀，并燒 結(jié)5小時(shí)，作為涂層材料標(biāo)靶；步驟(2)將涂層材料標(biāo)靶和基體鈦金屬材料(鈦或鈦合金)平行放置于密封腔體 內(nèi)，并與水平的激光光路成45°角。涂層材料標(biāo)靶和基體鈦金屬材料平行相距10厘米。步驟(3)將密封腔抽成真空(氣壓抽至IPa以下)，然后充入 水蒸汽或水蒸汽與氬 氣混合體至氣體壓強(qiáng)為120Pa，并保持該壓強(qiáng)，整個(gè)涂層過(guò)程在此壓強(qiáng)下進(jìn)行。步驟(4)脈沖激光器發(fā)出激光，激光束投射到透射反射鏡，其中透射后的光束依 次通過(guò)聚焦鏡、第一透明窗體進(jìn)入密封腔體，投射到與光路成45度的涂層材料標(biāo)靶上。激 光的重復(fù)頻率10Hz，聚焦后能流密度為0. 7J/cm2。在透射反射鏡處發(fā)生反射的激光，經(jīng)過(guò)第一反射鏡、第二反射鏡后從密封腔體上 的第二透明窗體投射到與光路成45度的基體鈦金屬材料上，該路激光的能流密度為0. IJ/ cm2，在基體鈦金屬材料上形成的光斑直徑約8mm。步驟(5)聚焦的脈沖激光對(duì)密封腔體中的涂層材料標(biāo)靶進(jìn)行激發(fā)，激發(fā)產(chǎn)生的 羥基磷灰石顆粒與腔體內(nèi)充入的氣體混合形成等離子混合體，充滿整個(gè)腔室，部分羥基磷 灰石顆粒吸附到基體鈦金屬材料上，未聚焦的脈沖激光對(duì)密封腔體中的基體鈦金屬材料加 熱，使基體鈦金屬材料上光斑區(qū)的溫度保持在400°C以上，從而完成該光斑區(qū)內(nèi)羥基磷灰石 材料的涂覆。步驟(6)調(diào)整基體鈦金屬材料的光斑區(qū)位置，重復(fù)步驟(5)直到基體鈦金屬材料 的整個(gè)外表面均完成羥基磷灰石材料的涂覆為止，這樣在基體鈦金屬材料上形成1 μ m厚 的羥基磷灰石涂層。
權(quán)利要求
金屬表面羥基磷灰石材料的雙激光涂覆方法，其特征在于該方法包括如下步驟步驟(1)將羥基磷灰石粉末在高溫高壓下壓成餅狀，并燒結(jié)3～5小時(shí)，形成涂層材料標(biāo)靶，所述的高壓壓強(qiáng)為90～110MPa，高溫溫度為450～550℃；步驟(2)將涂層材料標(biāo)靶和基體鈦金屬材料平行放置于密封腔體內(nèi)，并與水平的激光光路成45°角，涂層材料標(biāo)靶和基體鈦金屬材料平行相距5～10厘米；所述的基體鈦金屬材料為鈦或鈦合金；步驟(3)將密封腔抽成真空，然后充入水蒸汽或水蒸汽與氬氣混合體直至密封腔內(nèi)氣體壓強(qiáng)為30～120Pa，并保持該壓強(qiáng)，整個(gè)涂覆過(guò)程在此壓強(qiáng)下進(jìn)行；步驟(4)由脈沖激光器發(fā)出激光，激光投射到透射反射鏡；在透射反射鏡處發(fā)生透射的激光依次通過(guò)聚焦鏡、第一透明窗體進(jìn)入密封腔體，投射到涂層材料標(biāo)靶上；該路激光重復(fù)頻率為10Hz～30Hz，聚焦后能流密度為0.7～1.5J/cm2；在透射反射鏡處發(fā)生反射的激光，經(jīng)過(guò)第一反射鏡和第二反射鏡反射后從密封腔體上的第二透明窗體投射到基體鈦金屬材料上；該路激光重復(fù)頻率為10Hz～30Hz，能流密度為0.1～0.2J/cm2，在基體鈦金屬材料上形成的光斑直徑為3～8mm；步驟(5)經(jīng)聚焦的脈沖激光對(duì)密封腔體內(nèi)的涂層材料標(biāo)靶進(jìn)行激發(fā)，激發(fā)產(chǎn)生的羥基磷灰石顆粒吸附至基體鈦金屬材料上，同時(shí)未聚焦的脈沖激光對(duì)密封腔體中的基體鈦金屬材料加熱，使基體鈦金屬材料上光斑區(qū)的溫度保持在400℃以上，從而完成該光斑區(qū)內(nèi)羥基磷灰石材料的涂覆；步驟(6)調(diào)整基體鈦金屬材料的光斑區(qū)位置，重復(fù)步驟(5)直到基體鈦金屬材料的整個(gè)外表面均完成羥基磷灰石材料的涂覆為止，這樣就在基體鈦金屬材料上形成1～10μm厚的羥基磷灰石涂層。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種金屬表面羥基磷灰石材料的雙激光涂覆方法?，F(xiàn)有的方法可控性差，導(dǎo)致產(chǎn)品穩(wěn)定性不好。本發(fā)明方法是將涂層材料標(biāo)靶和基體鈦金屬材料放置于密封腔體內(nèi)，從密封腔體外引入兩束激光，一束激光投射到基體鈦金屬材料上，使得基體鈦金屬材料在光斑區(qū)內(nèi)保持熔融狀態(tài)，另一束激光投射到涂層材料標(biāo)靶上，使得涂層材料處于激發(fā)狀態(tài)，其顆粒與腔體內(nèi)的氣體混溶。部分涂層材料吸附至基體鈦金屬材料上，從而完成羥基磷灰石材料的涂覆。本發(fā)明方法激光激發(fā)涂層使涂層材料能與多種基體材料結(jié)合并且沉淀速度快，激光表面覆熔涂層能改善涂層材料的結(jié)晶度并使涂層材料與基體材料結(jié)合粘合度增加。
文檔編號(hào)A61L27/42GK101880875SQ201010224670
公開日2010年11月10日 申請(qǐng)日期2010年7月9日 優(yōu)先權(quán)日2010年7月9日
發(fā)明者呂永桂, 陳凱 申請(qǐng)人:杭州電子科技大學(xué)