激光熔覆生物陶瓷涂層的界面研究及其應(yīng)力場模擬.pdf

1、生物材料是近年來發(fā)展非常迅速的重要功能材料之一，包括生物金屬、生物陶瓷材料和生物高分子材料等。在醫(yī)用金屬材料表面形成一層生物陶瓷是制備高性能、高可靠性生物植入材料的有效途經(jīng)。它既避免了金屬材料無生物活性、易腐蝕的問題，又能克服生物陶瓷材料力學(xué)性能差的缺陷，并已得到廣泛應(yīng)用。本課題組在國內(nèi)外首次采用激光處理技術(shù)制備了在TC4(Ti6A14V)鈦合金表面同步合成及熔覆以羥基磷灰石(HA)為主的生物陶瓷涂層復(fù)合材料。對于這種層狀生物復(fù)合材料而

2、言，界面是比較重要的部分，其性能的好壞直接決定著整個材料的質(zhì)量和壽命。所以本文針對這種情況，采用實驗、數(shù)學(xué)計算以及計算機(jī)數(shù)值模擬等方法較深入地研究了激光熔覆生物陶瓷涂層的界面狀況；并且對涂層中加入稀土Y2O3的作用進(jìn)行了分析。 本文首先采用實驗手段，對界面的組織形貌、成分、物相及顯微硬度等進(jìn)行了研究。發(fā)現(xiàn)加入稀土Y2O3可有效控制其界面兩側(cè)原子的短程擴(kuò)散及界面反應(yīng)的發(fā)生，改善其界面組織結(jié)構(gòu)，從而提高結(jié)合強(qiáng)度。 其次，通過

3、計算機(jī)數(shù)值模擬技術(shù)，采用計算機(jī)輔助工程軟件ANSYS6.1對激光熔覆生物陶瓷涂層的界面進(jìn)行了溫度場及應(yīng)力場模擬，得到激光熔覆材料冷卻到室溫后其界面的殘余應(yīng)力分布以及位移分布。其結(jié)果是，界面在經(jīng)過搭接熔覆后部分縱向應(yīng)力為拉應(yīng)力，但數(shù)值遠(yuǎn)小于界面的結(jié)合強(qiáng)度，所以界面的質(zhì)量不會受到影響。 再有從熱力學(xué)計算的角度分析了在模擬溫度場的加熱溫度條件下涂層及界面可能發(fā)生的反應(yīng)。數(shù)學(xué)計算表明，在該實驗條件下，涂層不僅完全具備合成羥基磷灰石、磷酸