Nd2O3含量對(duì)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(shè)計(jì)思想，利用寬帶激光熔覆先進(jìn)制造技術(shù)，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(fù)合涂層。利用OM和顯微硬度計(jì)分析手段對(duì)復(fù)合涂層的組織和顯微硬度進(jìn)行了研究。結(jié)果表明，復(fù)合涂層中Nd2O3添加量的不同，誘導(dǎo)合成陶瓷層的厚度和顯微硬度大小不同，且當(dāng)Nd2O3添加量為0.4 wt.%時(shí)，催化合成的陶瓷層最厚、顯微硬度最大。

關(guān)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(dòng)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(dòng)物骨骼而言，其表面的稀土含量相對(duì)較高，動(dòng)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(guó)內(nèi)知名學(xué)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(duì)誘導(dǎo)合成梯度生物活性陶瓷組織性能的影響尚未見(jiàn)報(bào)道。因此，筆者考慮探索Nd2O3含量在寬帶激光熔覆過(guò)程中對(duì)活性梯度涂層組織結(jié)構(gòu)和性能的影響，本文重點(diǎn)研究了Nd2O3含量對(duì)生物活性梯度陶瓷涂層組織性能的影響。

2實(shí)驗(yàn)材料與試驗(yàn)方法

2.1 實(shí)驗(yàn)材料

基體材料選用醫(yī)用TC4鈦合金，其化學(xué)成份(重量百分比%)為Al:5.5～6.8；V:3.5～4.5；余量為T(mén)i。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(yàn)方法

寬帶激光熔覆實(shí)驗(yàn)采用TJ-HL-5000型5KW橫流 CO2激光器及TJ-LAMP五坐標(biāo)三軸聯(lián)動(dòng)加工機(jī)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(yīng)為72%CaHPO4·2H2O和28%CaCO3。考慮到高能激光熔覆過(guò)程中Ca、P存在燒損特別是P的燒損更嚴(yán)重，故用Ca:P=1.5進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。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(shè)計(jì)見(jiàn)表1。考慮到稀土元素有誘導(dǎo)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(yōu)化的寬帶激光熔覆工藝參數(shù)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(dòng)顯微硬度計(jì)測(cè)試涂層的顯微硬度。

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 Nd2O3含量對(duì)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(shù)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(shí)稀土活性梯度陶瓷涂層橫截面整體形貌。由圖可知，復(fù)合涂層都分為三個(gè)層次，即基材、合金化層和生物陶瓷層，各層之間界面結(jié)合良好；但由圖1還可知由于Nd2O3添加量的不同梯度復(fù)合涂層中誘導(dǎo)合成的陶瓷層厚度是不一樣的。當(dāng)Nd2O3添加量0.2wt.%時(shí)，復(fù)合涂層中只出現(xiàn)較薄的一層陶瓷層，厚度約為200μm，如圖1（a）所示；當(dāng)Nd2O3添加量為0.4 wt.%時(shí)，催化合成的陶瓷層最厚，約為500μm，如圖1（b）所示；當(dāng)Nd2O3添加量為0.6 wt.%時(shí)，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(duì)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(shí)稀土活性梯度陶瓷涂層顯微硬度分布曲線都可分為四個(gè)區(qū)域：陶瓷層、合金化層、熱影響區(qū)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(shì)，從而保證了生物陶瓷涂層與基材之間良好的化學(xué)冶金結(jié)合。但比較陶瓷層最大顯微硬度的變化趨勢(shì)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(shí)陶瓷層最大顯微硬度達(dá)到最大值2400HV左右，這與圖1中當(dāng)Nd2O3添加量為0.4wt.%時(shí)，復(fù)合涂層中催化合成更多的陶瓷層結(jié)果一致。

4 結(jié)論

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

（2）復(fù)合涂層中Nd2O3添加量的不同，涂層的顯微硬度大小不同，當(dāng)Nd2O3添加量為0.4 wt.%時(shí)，顯微硬度達(dá)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(guān)系。

參考文獻(xiàn)

[1]徐光憲主編. 稀土(下). 第2版,北京:冶金工業(yè)出版社, 2002

[2]劉其斌.激光加工技術(shù)及其應(yīng)用[M].北京：冶金工業(yè)出版社, 2007

[3]高家誠(chéng),王勇.原位合成HA過(guò)程中Y2O3的作用機(jī)理.中國(guó)有色金屬學(xué)報(bào), 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(fù)合涂層[J].功能材料, Function Material,2005, 36（1）：50-53

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