真空等离子喷涂
羟基磷灰石（Hydroxyapatite，HA）生物陶瓷材料具有优良的生物活性和生物相容性，但HA烧结后强度较低，且脆性较大，难以满足临床使用要求。近年来，利用材料表面处理技术将HA生物陶瓷材料涂覆在钛合金等金属基体的表面，形成HA生物陶瓷涂层材料。HA生物陶瓷涂层可以充分发挥生物陶瓷材料和钛合金材料各自的优势，克服各自的缺点，较好满足临床应用的需要。
1.人工关节表面真空等离子弧喷涂Ti、HA涂层在Ti或其合金基材上沉积的等离子喷涂钛（Ti）、羟基磷灰石（HA）涂层已在临床上获得应用。等离子弧喷涂是一个高温过程，粉末在喷涂过程中会发生较为复杂的物理、化学变化。等离子弧喷涂HA涂层与其喷涂粉末相比，会发生结构和组成的改变，并导致涂层结晶度的降低。在高于500℃的环境中，Ti很容易与O2、H2、N2以及CO2反应。由于等离子弧射流温度极高（高达10000℃），在大气中进行等离子弧喷涂时，Ti会与周围气氛发生反应。喷涂过程中产生的反应产物往往会降低涂层的延展性，并导致材料产生裂纹。
2.真空等离子弧喷涂与大气等离子弧喷涂相比较，具有射流速度快、温度较低、喷涂室气氛可控等特点，所制备的涂层比较致密、含氧量低、成分与粉末较为接近。图1为真空等离子喷涂设备。采用真空等离子喷涂技术可以制备性能优良的Ti和HA涂层。
3.在Ti-6Al-4V基体上采用真空和大气等离子弧喷涂制备了Ti、HA涂层，并将二者进行比较后发现，大气喷涂Ti涂层氧化比较严重，涂层中含有大量的TiO和TiO2.而在真空喷涂中，这种氧化得以避免。涂层的氧化影响了它与合金基体的结合，大气喷涂（APS）Ti涂层与基体间的结合强度约为37MPa，而真空喷涂（VPS）Ti涂层的结合强度可达60MPa.与原始粉末相比，等离子喷涂HA涂层含有一些非晶相和新相，如CaO和Ca3（PO4）2.非晶相的形成主要是由于在高温下熔化的颗粒被喷涂在基底上时激冷所致；而CaO和Ca3（PO4）2等新相则是源于喷涂过程中HA的分解。真空喷涂HA涂层的非晶相和新相明显减少，这主要是得益于VPS喷涂时较低的焰流温度结晶度测定结果显示，APS HA涂层的结晶度仅为42％，而VPS HA涂层的结晶度则超过60％，可满足临床植入对涂层结晶度的要求。真空等离子喷涂Ti-HA涂层人工髋关节实际部件见图2.已喷涂人工髋关节植入物约7000件。
4.HA基复合涂层。采用等离子弧喷涂技术，在Ti-6Al-4V合金基体上，制备了HA/Ti、HA/TiO2、HA/ZrO2，等复合涂层，能有效地改善涂层与基体之间的结合。
结合强度分析表明，在HA涂层中掺入金属或陶瓷等成分，涂层的结合情况可以得到改善。以HA/ZrO2复合涂层为例，掺入ωZrO2＝60％的复合涂层的结合强度比纯HA涂层高出约一倍。结合强度的提高，主要是因为掺杂物的加入缓和了涂层与基体之间的热膨胀系数失配，减少了因热膨胀系数失配导致的残余热应力在涂层与基体界面处的集中。另外，掺杂物小身的结合强度较高也是复合涂层结合强度提高的一个重要原因。 |
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