La2O3和Sm2O3的含量对宽带激光熔覆生物活性梯度涂层的生物活性的影响

龚尚露简久利江佩泽胡昆昆（贵州大学材料与冶金学院，贵州贵阳550003）

La2O3和Sm2O3的含量对宽带激光熔覆生物活性梯度涂层的生物活性的影响

龚尚露1,a简久利1,b江佩泽1,c胡昆昆（贵州大学材料与冶金学院，贵州贵阳550003）

为了提高宽带激光熔覆生物活性涂层的生物活性，添加了两种稀土氧化物，分别是Sm2O3，La2O3，实验结果表明，当稀土氧化物添加量为0.6w t.%La2O3和0.4w t.%Sm2O3时，HA和TCP的生成量是最多的。将样品放入模拟体液中培养14天之后，通过SEM和EDS检测出当稀土氧化物添加量为0.6w t.%La2O3和0.4w t.%Sm2O3时，涂层中的Ca-P的含量是最高的并且表面陶瓷层覆盖完整。故当稀土氧化物添加量为0.6w t.%La2O3和0.4w t.% Sm2O3时，涂层的生物活性较好。

激光熔覆；生物活性陶瓷涂层；La2O3；Sm2O3

引言

羟基磷灰石（HA），既Ca10（PO4）6（OH）2。它含有人体组织所必需的的钙和磷元素，是人体和动物骨骼的主要无机成分，在人体骨组织替代和修复方面有着极大的研发价值［1］。但是，HA的强度（50-150MPa）和韧性（1.0-1.2MPa·m-1/2）［2］较低，限制了HA作为人体骨组织替代品在人体中的运用范围，如果把HA与力学性能优良的生物金属材料相结合，便可以制作出结合两者优点的材料，而钛合金拥有较好的强度和韧性［3］，是十分理想的基材材料。目前，在金属表面制备生物活性陶瓷层的主要方法有等离子体喷涂［4］，和激光熔覆［5］。而激光熔覆具有结合强度高、加热速度较快、操作简单、熔覆环境清洁等优点。

一、实验材料及其方法

1.实验材料

材料分为基体部分和熔覆涂层部分。基体部分材料为TC4医用钛合金，主要成分是Ti、少量的Al（5.5%--6.8%）和V（3.5%--4.5%）。涂层粉末材料有分析纯CaCO3、CaHPO4.2H2O、稀土氧化物La2O3、Sm2O3以及20-40um的Ti粉。

2.实验步骤

（1）药品数据设计

本次试验的试验数据是采用La2O3的浓度不变而Sm2O3的浓度分别为0.0wt%、0..2wt%、0.4wt%、0.6wt%、0.8wt%。稀土氧化物与CaCO3、CaHPO4.2H2O同时混入研磨。实验涂层设计为。

表1 生物陶瓷梯度涂层成分设计Table1 Compositionaldesign ofbioceramic Gradientcoating

其中，M表示CaHPO4·2H2O、CaCO3的混合体，T代表Ti粉。设计三层涂层的原因是CaHPO4·2H2O和CaCO3粉末与基体材料线膨胀系数、熔点等热物性参数相差较大，直接熔覆容易造成涂层与基体之间的裂纹，因此通过加入不同钛粉含量的不同涂层对熔覆层粉末进行梯度成分设计，从而改善涂层与基材的集合强度。

（2）激光熔覆前材料的处理

Ti合金基材要用打磨机打磨光滑用丙酮、酒精清洗以后用生物胶涂覆已研磨的材料。涂覆应该遵循少胶多粉的原则，涂覆的时候要使涂层压紧，涂层呈现出光滑平面状。涂层厚度一般为0.5mm左右。待涂层阴干后即可进行激光熔覆。

（3）激光设备的选用与熔覆

宽带激光熔覆实验采用TJ-HL-5000型5KW CO2激光器及TJ-LAMP五坐标三轴联动加工机床。激光功率P=1700w，扫描速度v=180min/s光斑尺寸D=12mm×2mm。宽带激光熔覆工艺是先熔覆第一梯度层，清理表面后涂覆材料，再熔覆第二梯度层，再清理表面和涂覆材料，最后再熔覆第三梯度层，从而在钛合金上形成稀土活性梯度生物陶瓷涂层。

（4）激光熔覆完成后材料的处理

1）模拟体液浸泡处理

激光熔覆以后的材料试验采用的SBF配制与Kokubo［6］等研制的SBF相同，其无机成分与人体血浆相似，因此涂层在SBF溶液中浸泡过程中离子浓度的变化以及涂层所发生的溶解、生长等过程与生物体内的生物矿化过程极为相似。

二、数据的实验分析

1.XRD分析

图2是添加0.6wt%La2O3和不同浓度的Sm2O3在模拟体液中浸泡14天后的X射线衍射图谱。又图可知，生物陶瓷涂层中主要有Ca3（PO4）2既TCP、Ca10（PO4）6（OH）2、和CaO。当没有添加Sm2O3时，生物陶瓷涂层中几乎没有HA和TCP生成，而当Sm2O3的添加量在0.2wt%时，表征HA和TCP的特征峰有略微凸起，说明在生物陶瓷涂层中生成了少量的HA和TCP。当Sm2O3的添加量在0.4wt%时，HA和TCP的特征峰达到最高，其主要衍射峰出现在2θ为33°附近，说明在生物陶瓷涂层中催化合成的HA和TCP的量达到最大。当Sm2O3的添加量在0.6wt%时，HA的特征峰没有太大变化，但是TCP的峰值有所下降，说明此时陶瓷涂层中的TCP合成受到了一定的限制。当Sm2O3的添加量在0.8wt%时，HA和TCP的特征峰都显著的下降，说明HA和TCP的催化合成都受到的抑制。

2.SEM与EDS图谱和分析

图1 添加0.6wt%La2O3和不同浓度的Sm2O3在模拟体液中浸泡14天后的X射线衍射图谱Fig.1.The XRD resultof thebioceramic coatingwith differentcontentof Sm2O3and 0.6wt%La2O3after soaked in SBF for14 days

图2 添加0.6wt%La2O3和0.0wt%Sm2O3在模拟体液中浸泡14天后的SEM与EDSFig.2.The SEM and EDS resultof0.0wt%Sm2O3for14 days

图3 添加0.6wt%La2O3和0.2wt%Sm2O3在模拟体液中浸泡14天后的SEM与EDSFig.3.The SEM and EDS resultof0.2wt%Sm2O3for14 days

图4 添加0.6wt%La2O3和0.4wt%Sm2O3在模拟体液中浸泡14天后的SEM与EDSFig.4.TheSEMandEDSresultof0.4wt%Sm2O3for14days

图5 添加0.6wt%La2O3和0.6wt%Sm2O3在模拟体液中浸泡14天后的SEM与EDSFig.5.The SEM and EDSresultof0.6wt%Sm2O3for14 days

图6 添加0.6wt%La2O3和0.8wt%Sm2O3在模拟体液中浸泡14天后的SEM与EDSFig.6.The SEM and EDSresultof0.8wt%Sm2O3for14 days

由分析结果可以知道，当添加0.4wt%Sm2O3和0.6wt%La2O3时，样品表面的结构最为平整，颗粒最为细小，钙磷含量也最高。结合XRD的分析，可以得出当添加0.4wt%Sm2O3和0.6wt%La2O3时，生物陶瓷涂层拥有最好的生物活性。

三、结语

设计添加两种不同的稀土氧化物，以此研究混合稀土氧化物对宽带激光熔覆生物活性梯度涂层的生物活性的影响，研究表明，当添加的稀土氧化物的含量分别为0.4wt%Sm2O3和0.6wt% La2O3时，样品表面的HA和TCP相衍射峰达到最高，钙磷含量也是最高，表面被由钙磷元素构成的白色颗粒所覆盖。所以当添加的稀土氧化物的含量分别为0.4wt%Sm2O3和0.6wt%La2O3时，宽带激光熔覆生物活性梯度涂层的生物活性最佳。

［1］Niu Jinlong，Zhang Zhenxi，Jiang Dazong.Synthesis and Characteristics of Porous Hydroxyapatite Bioceremics［J］.J Biomed Eng，2001，19（2）：302-305J.

［2］刘其斌，邹龙江，郑敏，董闯.Y2O3含量对宽带激光熔覆梯度生物材料陶瓷复合涂层组织的影响.

［3］Lingyan Zhang，Q.B.Liu，The Bioactivity ofGradientComposite Bioceramic Coatingwith DifferentContents ofMultiple Rare Earth Deoxide Fabricated byWide Band Laser Cladding，Advanced MaterialsResearch Vols.706-708（2013）pp 318-322.

［4］Y.C.Yang，E.Chang，The bonding ofPlasma-sprayed hydroxyapatite coatings to titanium：effectofprocessing［M］，prosity and residualstress，Thin Solid Films，2003，444，260.

［5］汪震，刘其斌，肖明，杨邦成.Nd2O3含量对宽带激光熔覆稀土活性生物梯度陶瓷涂层性能的影响，中国激光，第38卷，第5期，2011.5.

［6］TADASHIK，HIROAKIT，How useful is SBF in predieting in vivo bone bioactivity，J.JournalofBiomaterials.27（2005）2907-2915.

2.做好焊接原料管理

焊接原料是控制焊接质量的关键性因素，因此做好焊接原料管理也就显得尤为重要。一方面，焊接原料的来源要确保正规、可靠，而且采购到位后还应全面进行性能检查与测试；另一方面，焊材库房的设立必须进行科学规划，在保证其具备良好的保温、去湿及烘干条件的基础上，以专业化的仪器随时记录焊材状态。当然，管道焊接现场也应配备专业人员进行原料管理，不仅要监督施工技术人员的焊材使用，而且还必须注意现场原料放置位置，以防止错用、漏用等问题的发生。

3.注重设备管理

除了焊接原料之外，焊接设备也是影响焊接质量的重要因素。目前来说，压力容器管道焊接中常需要用到氩弧焊机、电弧焊机、保温桶以及焊条烘干箱等。为了应对随时可能出现的设备故障，施工单位应安排专业机修人员同步跟进，这样一来，其既能对焊接过程中的设备使用提供指导，也能及时有效地解决设备异常，从而有效避免设备问题造成的质量缺陷。

4.加强焊前技术准备

在正式开始压力容器管道焊接前，设计部门应编制好专业、实用的焊接作业指导书，由各团队负责人发放给技术人员学习，以保证其能充分了解焊接环境、焊接工艺以及相关注意事项。同时，焊接前质检部门还应安排技术人员进行初步的实地考察，并将验证结果与作业指导书进行全面对比，从质量控制的角度分析预定焊接方案的可靠性。不仅如此，对于首次应用的焊材、钢种以及工艺方案，还必须进行可行性试验，并由专业的评定机构进行研究分析，以确定施工团队是否能将相关工艺要求付诸实践。

5.落实焊接工艺与焊后检查

焊接工艺的落实是质量控制核心，在焊接打底上，一般以氩弧焊由下往上施焊，而且打底时必须做好试焊，并做好氩气杂质含量的检查。在这一工序上，底层焊缝应在不焊穿的基础上保证整体均匀焊透，同时，检查打底焊缝并焊接次层焊缝也需要同步落实。对于中层施焊，则应在底部完成施焊后及时做好外观检查与渣物清除，并在磨透且清除隐患区域后予以重焊。另外，焊接完成后，除了例行各项工艺指标的检查外，还应定期安排后续的跟踪复查，并将检查结果记录在册，以研究分析焊接方案的质量控制是否科学有效，从而确保压力容器管道实际运行的安全性与稳定性。

四、结语

总而言之，压力管道焊接对于压力容器使用的安全性与稳定性至关重要，在完成相关焊接项目的过程中，焊接人员必须牢牢把握各环节的技术要点，将核心施工工艺贯彻落实。同时，由于管道焊接各节点以及各区域往往有一定的联系，一旦出现问题极可能牵一发而动全身，所以加强焊接全过程的动态质量管控也就很有必要。只有严格规范各道焊接工序，将质量控制的理念深入人心，压力容器的管道焊接工作才能向科学化与规范化发展。

参考文献：

［1］夏萍.压力管道焊接技术与质量控制［J］.《科技创新与应用》.2014（5）.

［2］史英彬，张刚.压力管道焊接技术与质量控制探析［J］.《城市建筑》.2013（14）.

［3］李斌.压力管道焊接技术与质量控制措施分析［J］.《大科技》.2014（12）.

［4］陈庆东.压力管道焊接技术与质量控制探析［J］.《城市建设理论研究（电子版）》.2014（7）.