Nd2O3含量对稀土活性梯度陶瓷涂层组织性能的影响

江胜波 朱念

摘 要：本文采用梯度设计思想，利用宽带激光熔覆先进制造技术，在TC4钛合金表面上制备了含HA+β-TCP活性相的稀土活性梯度生物陶瓷复合涂层。利用OM和显微硬度计分析手段对复合涂层的组织和显微硬度进行了研究。结果表明，复合涂层中Nd2O3添加量的不同，诱导合成陶瓷层的厚度和显微硬度大小不同，且当Nd2O3添加量为0.4 wt.%时，催化合成的陶瓷层最厚、显微硬度最大。

关键词：Nd2O3含量；宽带激光熔覆；梯度陶瓷涂层；显微组织；显微硬度

1 引言

大陆架沉积物中的贝壳遗骸、海洋浮游生物的碳酸钙介壳和大洋热带水域中的珊瑚礁体以及动物的骨骼中都含有稀土元素，特别在生物磷酸盐化石中，稀土含量更高。就动物骨骼而言，其表面的稀土含量相对较高，动物骨灰中稀土含量在通常在0.0002～0.8%之间[1]。这些暗示着稀土氧化物有可能催化合成生物活性梯度陶瓷。国内知名学者刘其斌教授[2]在Ca/P分别为1.4、1.5的CaHPO4·2H2O+CaCO3混合体中加入不同含量稀土氧化物（CeO2，La2O3）宽带激光熔覆催化合成了钙磷基生物活性陶瓷。然而，稀土氧化物Nd2O3对诱导合成梯度生物活性陶瓷组织性能的影响尚未见报道。因此，笔者考虑探索Nd2O3含量在宽带激光熔覆过程中对活性梯度涂层组织结构和性能的影响，本文重点研究了Nd2O3含量对生物活性梯度陶瓷涂层组织性能的影响。

2实验材料与试验方法

2.1 实验材料

基体材料选用医用TC4钛合金，其化学成份(重量百分比%)为Al:5.5～6.8；V:3.5～4.5；余量为Ti。熔覆材料分别为分析纯CaHPO4·2H2O、CaCO3、1μm的Nd2O3粉末以及40-50μm的Ti粉。

2.2 试验方法

宽带激光熔覆实验采用TJ-HL-5000型5KW横流 CO2激光器及TJ-LAMP五坐标三轴联动加工机床。羟基磷灰石HA的Ca:P=1.67,即合成HA的CaHPO4·2H2O和CaCO3的组成应为72%CaHPO4·2H2O和28%CaCO3。考虑到高能激光熔覆过程中Ca、P存在烧损特别是P的烧损更严重，故用Ca:P=1.5进行实验。用M表示混合体(78%CaHPO4·2H2O+22%CaCO3)，用T代表Ti粉，则梯度涂层成分设计见表1。考虑到稀土元素有诱导合成羟基磷灰石的作用[3-6]，故在混合体M中加入不同含量的稀土氧化物Nd2O3（重量百分比）。优化的宽带激光熔覆工艺参数为输出功率P=2.4kW，扫描速度V=180mm/min，光斑尺寸D=12mm×2mm。

利用OLYMPUS PMG-3型OM金相显微镜观察涂层的显微组织特征，用FM7600半自动显微硬度计测试涂层的显微硬度。

3 试验结果及分析

3.1 Nd2O3含量对稀土活性梯度陶瓷涂层显微组织特征的影响

图1为Ca/P比为1.5，宽带激光熔覆工艺参数为输出功率P=2.4kW，扫描速V=180mm/min，光斑尺寸D=12mm×2mm条件下，Nd2O3添加量分别为0.2wt.%、0.4wt.%和0.6wt.%时稀土活性梯度陶瓷涂层横截面整体形貌。由图可知，复合涂层都分为三个层次，即基材、合金化层和生物陶瓷层，各层之间界面结合良好；但由图1还可知由于Nd2O3添加量的不同梯度复合涂层中诱导合成的陶瓷层厚度是不一样的。当Nd2O3添加量0.2wt.%时，复合涂层中只出现较薄的一层陶瓷层，厚度约为200μm，如图1（a）所示；当Nd2O3添加量为0.4 wt.%时，催化合成的陶瓷层最厚，约为500μm，如图1（b）所示；当Nd2O3添加量为0.6 wt.%时，陶瓷层的厚度反而变薄，约为300μm，如图1（c）所示。

3.2 Nd2O3含量对稀土活性梯度陶瓷涂层显微硬度的影响

由图2可知，涂层中Nd2O3添加量分别为0.2wt.%、0.4wt.%和0.6wt.%时稀土活性梯度陶瓷涂层显微硬度分布曲线都可分为四个区域：陶瓷层、合金化层、热影响区和基材。从合金化层至基材的硬度分布曲线呈梯度下降趋势，从而保证了生物陶瓷涂层与基材之间良好的化学冶金结合。但比较陶瓷层最大显微硬度的变化趋势可知，陶瓷层最大显微硬度随着稀土含量的增加而先增后减，在稀土添加量为0.4wt.%时陶瓷层最大显微硬度达到最大值2400HV左右，这与图1中当Nd2O3添加量为0.4wt.%时，复合涂层中催化合成更多的陶瓷层结果一致。

4 结论

（1）复合涂层中Nd2O3添加量的不同，诱导合成陶瓷层的厚度不同，当Nd2O3添加量为0.4 wt.%时，催化合成的陶瓷层最厚，具有最佳的催化效果。

（2）复合涂层中Nd2O3添加量的不同，涂层的显微硬度大小不同，当Nd2O3添加量为0.4 wt.%时，显微硬度达到最大值。

（3）涂层中Nd2O3含量与涂层的组织性能存在密不可分的关系。

参考文献

[1]徐光宪主编. 稀土(下). 第2版,北京:冶金工业出版社, 2002

[2]刘其斌.激光加工技术及其应用[M].北京：冶金工业出版社, 2007

[3]高家诚,王勇.原位合成HA过程中Y2O3的作用机理.中国有色金属学报, 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]刘其斌,郑敏,朱维东,等.钛合金表面宽带激光熔覆梯度梯度生物陶瓷复合涂层[J].功能材料, Function Material,2005, 36（1）：50-53

[6]王勇,高家诚,张亚平.激光熔覆梯度生物陶瓷涂层的研究[J].中国激光,2004,31(4):487-490