[發(fā)明專利]提高激光增材制造金屬人工膝關(guān)節(jié)表面耐磨性的工藝方法

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• 申請日: 2019-12-17
• 公開（公告）號: CN110923613A
• 公開（公告）日: 2020-03-27
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 方曉英;李昊卿;秦聰祥;婁殿軍
• 申請（專利權(quán)）人: 山東理工大學(xué)
• 主分類號: C23C4/134
• 分類號: C23C4/134;C23C4/11;C23C4/02
• 代理公司: 淄博佳和專利代理事務(wù)所(普通合伙) 37223
• 代理人: 任建堂

提高激光增材制造金屬人工膝關(guān)節(jié)表面耐磨性的工藝方法，屬于表面處理技術(shù)領(lǐng)域。包括以下步驟：1）、噴砂處理：對人工膝關(guān)節(jié)表面進(jìn)行噴砂處理，表面粗糙度達(dá)到Ra3.2；2）、預(yù)熱處理：人工膝關(guān)節(jié)加熱至40~50℃，噴涂納米氧化鋯粉末加熱至40~50℃；3）、噴涂：用氧化鋯陶瓷粉末對噴涂面進(jìn)行等離子噴涂。通過在人工膝關(guān)節(jié)表面噴涂納米氧化鋯顆粒，克服了傳統(tǒng)膝關(guān)節(jié)耐磨性低和全陶瓷關(guān)節(jié)韌性差的固有缺陷。等離子噴涂后的陶瓷表面形成具有各向異性的層狀結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)可使陶瓷層脆性斷裂傾向大幅降低，噴涂后與其他結(jié)構(gòu)匹配完好，不會影響膝關(guān)節(jié)固有的成型與活動狀態(tài)，延長人工膝關(guān)節(jié)的使用壽命，減少患者的痛苦。

技術(shù)領(lǐng)域

提高激光增材制造金屬人工膝關(guān)節(jié)表面耐磨性的工藝方法，屬于表面處理技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)

作為生物合金，鈷鉻鉬合金具有優(yōu)異的耐磨和抗腐蝕性能，較高的疲勞強(qiáng)度和良好的生物相容性等優(yōu)勢特點(diǎn)，但是傳統(tǒng)工藝在加工制備復(fù)雜結(jié)構(gòu)方面難度較大，很難實(shí)現(xiàn)患者個(gè)性化定制需求，而增材制造技術(shù)可以快速而精密地制造出任意復(fù)雜形狀的零件，解決了生物CoCrMo在加工制備方面的困難，但這并不意味著解決了所有的問題，人工膝關(guān)節(jié)的工作環(huán)境復(fù)雜，在體液的腐蝕，人體內(nèi)溫度的變化，細(xì)胞的生長等共同作用下，膝關(guān)節(jié)的磨損性能下降，患者的痛苦增加，使用壽命減少。

關(guān)節(jié)面磨損產(chǎn)物對人體有毒，會造成不良的生理組織反應(yīng)，并且合金在人體體液環(huán)境下發(fā)生離子析出后，析出的游離態(tài)的Co，Cr等離子積累一定量后有可能形成致癌物。而未來大有希望的陶瓷關(guān)節(jié)由于材料硬度高、韌性差造成加工困難且成本很高，更重要的是個(gè)性化造型困難，因此大規(guī)模臨床應(yīng)用面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是：克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種可提高激光增材制造金屬人工膝關(guān)節(jié)表面耐磨性的方法，以延長人工膝關(guān)節(jié)的使用壽命，減少患者的痛苦。

本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是：該提高激光增材制造金屬人工膝關(guān)節(jié)表面耐磨性的工藝方法，其特征在于：包括以下步驟：

1）、噴砂處理：對人工膝關(guān)節(jié)表面進(jìn)行噴砂處理，表面粗糙度達(dá)到 Ra3.2；

2）、預(yù)熱處理：人工膝關(guān)節(jié)加熱至40~50℃，噴涂納米氧化鋯粉末加熱至40~50℃；

3）、噴涂：用氧化鋯陶瓷粉末對噴涂面進(jìn)行等離子噴涂。

優(yōu)選的，步驟1）所述噴砂采用白剛玉46#，噴砂壓力為0.45~0.55Mpa，噴距為200~300mm，噴砂面清潔度達(dá)到Sa2級。

優(yōu)選的，步驟3）噴涂過程中人工膝關(guān)節(jié)一直保持加熱。

優(yōu)選的，所述人工膝關(guān)節(jié)為鈷鉻鉬合金。

優(yōu)選的，步驟3）噴涂的加速電壓：65~75V，電流：610~630A，噴距：160~180mm，噴涂厚度：200~300μm。

優(yōu)選的，所述納米氧化鋯粉末的粒徑為100nm， 純度≥99%。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明所具有的有益效果是：

1、通過在人工膝關(guān)節(jié)表面噴涂納米氧化鋯顆粒，克服了傳統(tǒng)膝關(guān)節(jié)耐磨性低和全陶瓷關(guān)節(jié)韌性差的固有缺陷。

2、等離子噴涂后的陶瓷表面形成具有各向異性的層狀結(jié)構(gòu)（包括層狀間隙），這種結(jié)構(gòu)可使陶瓷層脆性斷裂傾向大幅降低，其提供的曲折“通道”也可最大限度降低腐蝕性介質(zhì)的滲入和侵蝕，并且獲得精確的涂層厚度和良好的表面質(zhì)量，后續(xù)可直接采用精加工工序。

3、氧化鋯陶瓷涂層薄且均勻的覆蓋在人工膝關(guān)節(jié)關(guān)節(jié)面上，不改變關(guān)節(jié)面原有的曲率形態(tài)，噴涂后與其他結(jié)構(gòu)匹配完好，不會影響膝關(guān)節(jié)固有的成型與活動狀態(tài)。

4、氧化鋯陶瓷涂層硬度高，磨損率低，對人工膝關(guān)節(jié)的使用壽命有顯著提升，從而大大減少患者的痛苦，提高患者的生活質(zhì)量。