Вакуумное плазменное напылительное оборудование

Машина для вакуумного плазменного напыления

Гидроксиапатит (ГА) - биологический керамический материал, обладающий отличной биологической активностью и биосовместимостью. Однако ГА имеет слишком низкую прочность после спекания и большую хрупкость, чтобы удовлетворить клиническим требованиям. В последние годы активно разрабатывается технология поверхностной обработки материалов, которая позволяет наносить биологический керамический материал ГА на поверхность титанового сплава в качестве подложки, образуя таким образом биологический керамический покрытие ГА. Материал биологического керамического покрытия ГА может сочетать преимущества биологического керамического материала и титанового сплава, одновременно преодолевая недостатки каждого из них. Это позволяет лучше удовлетворить потребности клинического применения.

1. Поверхность искусственного сустава покрыта титаном (Ti) и гидроксиапатитом (HA) вакуумным плазменным дуговым напылением. Плазменное напыление титана (Ti) и гидроксиапатита (HA) на подложку из титана или его сплавов уже применяется в клинической практике. Плазменное дуговое напыление - это высокотемпературный процесс. Во время напыления порошка происходят некоторые сложные физико-химические изменения. По сравнению с исходным порошком для напыления, плазменное дуговое напыление гидроксиапатитного покрытия приводит к изменению структуры и состава, а также к снижению кристалличности покрытия. В среде с температурой выше 500 °C титан легко реагирует с O2, H2, N2 и CO2. Из-за очень высокой температуры плазменного дугового потока (до 10000 °C) титан реагирует с окружающей атмосферой при плазменном дуговом напылении. Реакционные продукты, образующиеся в процессе напыления, часто снижают пластичность покрытия и приводят к образованию трещин в материале.

2. По сравнению с атмосферным плазменным дуговым напылением, вакуумное плазменное дуговое напыление имеет такие особенности, как высокая скорость струи, более низкая температура и контролируемая атмосфера в камере напыления и т.д. Покрытие достаточно плотное, с низким содержанием кислорода, его состав приближен к составу порошка. На рис. 1 показано оборудование для вакуумного плазменного напыления. Применение технологии вакуумного плазменного напыления позволяет получать титановое и гидроксиапатитовое покрытия с хорошими характеристиками.

?

Рисунок 1. Вакуумная плазменная дуговая напыление. Не готово

3. Сравнивая покрытия Ti и HA на подложке Ti-6 Al-4 V, полученные вакуумной и атмосферной плазменной дуговой напылением, мы обнаружили, что окисление покрытия Ti, напыленного в атмосфере, более сильное. В покрытии присутствует большое количество TiO2 и TiO. Однако в вакуумном покрытии окисление можно избежать. Окисление влияет на сцепление покрытия и сплавной подложки. Прочность сцепления атмосферной напылительной (APS) Ti-покрытия с основой составляет 37 МПа, а прочность сцепления вакуумного покрытия (VPS) с Ti-покрытием - 60 МПа. По сравнению с исходным порошком, плазменное напыление покрытия HA содержит некоторое количество аморфной фазы и новых фаз, таких как CaO и Ca3(PO4)2. Формирование аморфной фазы происходит главным образом в результате высокотемпературного плавления частиц при напылении на подложку, как сообщается; а новые фазы, такие как CaO и Ca3(PO4)2, возникают в результате разложения HA в процессе напыления. Количество аморфной фазы и новых фаз HA в вакуумном покрытии значительно снижено, что главным образом связано с низкой температурой пламени при напылении VPS. Результаты показывают, что для покрытия HA, полученного методом APS, степень кристалличности составляет только 42%, а для покрытия HA, полученного методом VPS, степень кристалличности превышает 60%. Это удовлетворяет требованиям для клинического имплантации по степени кристалличности покрытия. Рисунок 2. Фактические детали искусственного тазобедренного сустава с вакуумно-плазменным напылением Ti-HA покрытия. Уже напылено около 7000 имплантатов искусственных тазобедренных суставов.

?

Рисунок 2. Искусственная тазобедренная суставная протеза с вакуумно-плазменным покрытием Ti-HA

4. Композитное покрытие на основе матрицы HA. Используя технологию плазменного дугового напыления на субстрате из сплава Ti-6 Al-4 V можно получать композитные покрытия, такие как Ti, HA/HA/TiO2, HA/ZrO2 и т.д. Это эффективно улучшает сцепление между покрытием и субстратом. Анализ прочности сцепления показывает, что сцепление покрытия можно улучшить путем смешивания в покрытии HA металлических или керамических компонентов и т.д. Например, в случае композитного покрытия HA/ZrO2, содержащего ω ZrO2 = 60%, прочность будет в a раз выше, чем у чистого покрытия HA. Повышение прочности происходит главным образом благодаря тому, что добавки уменьшают несоответствие коэффициентов теплового расширения между покрытием и субстратом, уменьшая концентрацию остаточных термических напряжений на границе раздела покрытия и матрицы, вызванную несоответствием коэффициентов теплового расширения. Кроме того, высокая прочность мелких частиц добавок также способствует повышению прочности сцепления композитного покрытия.