Nd2O3含量對稀土活性梯度陶瓷涂層組織性能的影響

江勝波 朱念

摘 要：本文采用梯度設計思想，利用寬帶激光熔覆先進制造技術，在TC4鈦合金表面上制備了含HA+β-TCP活性相的稀土活性梯度生物陶瓷復合涂層。利用OM和顯微硬度計分析手段對復合涂層的組織和顯微硬度進行了研究。結果表明，復合涂層中Nd2O3添加量的不同，誘導合成陶瓷層的厚度和顯微硬度大小不同，且當Nd2O3添加量為0.4 wt.%時，催化合成的陶瓷層最厚、顯微硬度最大。

關鍵詞：Nd2O3含量；寬帶激光熔覆；梯度陶瓷涂層；顯微組織；顯微硬度

1 引言

大陸架沉積物中的貝殼遺骸、海洋浮游生物的碳酸鈣介殼和大洋熱帶水域中的珊瑚礁體以及動物的骨骼中都含有稀土元素，特別在生物磷酸鹽化石中，稀土含量更高。就動物骨骼而言，其表面的稀土含量相對較高，動物骨灰中稀土含量在通常在0.0002～0.8%之間[1]。這些暗示著稀土氧化物有可能催化合成生物活性梯度陶瓷。國內知名學者劉其斌教授[2]在Ca/P分別為1.4、1.5的CaHPO4·2H2O+CaCO3混合體中加入不同含量稀土氧化物（CeO2，La2O3）寬帶激光熔覆催化合成了鈣磷基生物活性陶瓷。然而，稀土氧化物Nd2O3對誘導合成梯度生物活性陶瓷組織性能的影響尚未見報道。因此，筆者考慮探索Nd2O3含量在寬帶激光熔覆過程中對活性梯度涂層組織結構和性能的影響，本文重點研究了Nd2O3含量對生物活性梯度陶瓷涂層組織性能的影響。

2實驗材料與試驗方法

2.1 實驗材料

基體材料選用醫用TC4鈦合金，其化學成份(重量百分比%)為Al:5.5～6.8；V:3.5～4.5；余量為Ti。熔覆材料分別為分析純CaHPO4·2H2O、CaCO3、1μm的Nd2O3粉末以及40-50μm的Ti粉。

2.2 試驗方法

寬帶激光熔覆實驗采用TJ-HL-5000型5KW橫流 CO2激光器及TJ-LAMP五坐標三軸聯動加工機床。羥基磷灰石HA的Ca:P=1.67,即合成HA的CaHPO4·2H2O和CaCO3的組成應為72%CaHPO4·2H2O和28%CaCO3。考慮到高能激光熔覆過程中Ca、P存在燒損特別是P的燒損更嚴重，故用Ca:P=1.5進行實驗。用M表示混合體(78%CaHPO4·2H2O+22%CaCO3)，用T代表Ti粉，則梯度涂層成分設計見表1。考慮到稀土元素有誘導合成羥基磷灰石的作用[3-6]，故在混合體M中加入不同含量的稀土氧化物Nd2O3（重量百分比）。優化的寬帶激光熔覆工藝參數為輸出功率P=2.4kW，掃描速度V=180mm/min，光斑尺寸D=12mm×2mm。

利用OLYMPUS PMG-3型OM金相顯微鏡觀察涂層的顯微組織特征，用FM7600半自動顯微硬度計測試涂層的顯微硬度。

3 試驗結果及分析

3.1 Nd2O3含量對稀土活性梯度陶瓷涂層顯微組織特征的影響

圖1為Ca/P比為1.5，寬帶激光熔覆工藝參數為輸出功率P=2.4kW，掃描速V=180mm/min，光斑尺寸D=12mm×2mm條件下，Nd2O3添加量分別為0.2wt.%、0.4wt.%和0.6wt.%時稀土活性梯度陶瓷涂層橫截面整體形貌。由圖可知，復合涂層都分為三個層次，即基材、合金化層和生物陶瓷層，各層之間界面結合良好；但由圖1還可知由于Nd2O3添加量的不同梯度復合涂層中誘導合成的陶瓷層厚度是不一樣的。當Nd2O3添加量0.2wt.%時，復合涂層中只出現較薄的一層陶瓷層，厚度約為200μm，如圖1（a）所示；當Nd2O3添加量為0.4 wt.%時，催化合成的陶瓷層最厚，約為500μm，如圖1（b）所示；當Nd2O3添加量為0.6 wt.%時，陶瓷層的厚度反而變薄，約為300μm，如圖1（c）所示。

3.2 Nd2O3含量對稀土活性梯度陶瓷涂層顯微硬度的影響

由圖2可知，涂層中Nd2O3添加量分別為0.2wt.%、0.4wt.%和0.6wt.%時稀土活性梯度陶瓷涂層顯微硬度分布曲線都可分為四個區域：陶瓷層、合金化層、熱影響區和基材。從合金化層至基材的硬度分布曲線呈梯度下降趨勢，從而保證了生物陶瓷涂層與基材之間良好的化學冶金結合。但比較陶瓷層最大顯微硬度的變化趨勢可知，陶瓷層最大顯微硬度隨著稀土含量的增加而先增后減，在稀土添加量為0.4wt.%時陶瓷層最大顯微硬度達到最大值2400HV左右，這與圖1中當Nd2O3添加量為0.4wt.%時，復合涂層中催化合成更多的陶瓷層結果一致。

4 結論

（1）復合涂層中Nd2O3添加量的不同，誘導合成陶瓷層的厚度不同，當Nd2O3添加量為0.4 wt.%時，催化合成的陶瓷層最厚，具有最佳的催化效果。

（2）復合涂層中Nd2O3添加量的不同，涂層的顯微硬度大小不同，當Nd2O3添加量為0.4 wt.%時，顯微硬度達到最大值。

（3）涂層中Nd2O3含量與涂層的組織性能存在密不可分的關系。

參考文獻

[1]徐光憲主編. 稀土(下). 第2版,北京:冶金工業出版社, 2002

[2]劉其斌.激光加工技術及其應用[M].北京：冶金工業出版社, 2007

[3]高家誠,王勇.原位合成HA過程中Y2O3的作用機理.中國有色金屬學報, 2003,13(3):675-679

[4]Liu Q B,Zou J L,Zheng M.Effect of Y2O3 content on microstructure of gradient bioceramic composite coating produced by wide-band laser cladding[J].Journal of Rare Earth,2005,23(4):446-450

[5]劉其斌,鄭敏,朱維東,等.鈦合金表面寬帶激光熔覆梯度梯度生物陶瓷復合涂層[J].功能材料, Function Material,2005, 36（1）：50-53

[6]王勇,高家誠,張亞平.激光熔覆梯度生物陶瓷涂層的研究[J].中國激光,2004,31(4):487-490