激光熔覆原位生成CaTiO3陶瓷涂层及热力学分析

司秀丽; 张思靓; 白伟; 杨玉玲

doi:10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2013.01.030

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激光熔覆原位生成CaTiO3陶瓷涂层及热力学分析

司秀丽 , 张思靓 , 白伟 , 杨玉玲

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引用本文:

Citation:

激光熔覆原位生成CaTiO3陶瓷涂层及热力学分析

1.
东北大学理学院, 沈阳 110819

作者简介: 司秀丽(1989- ),女,人学本科生,日前从事激光表而改性方向的研究..

通讯作者: 杨玉玲, yulingyang@mail.neu.edu.cn

基金项目:
国家自然科学基金青年科学基金资助项目(50801012);中央高校基本科研业务费资助项目(N100405001);辽宁省自然科学基金资助项目(20102012);国家大学生创新性实验计划资助项目(110112)
中图分类号:
TG156.99

Study on in-situ formation of CaTiO3 biocoating via laser cladding and its thermodynamic analysis

1.
College of Science, Northeastern University, Shenyang 110004, China

Corresponding author: YANG Yu-ling, yulingyang@mail.neu.edu.cn

CLC number:
TG156.99

摘要: 为了改善钛合金表面生物活性,采用500W脉冲Nd:YAG激光作为热源,平均粒度约为20m的Ti粉和CaCO3粉为预涂材料,利用激光熔覆原位自生的方法,在Ti-6Al-4V表面制备CaTiO3陶瓷涂层.通过热力学分析,并结合X射线衍射分析方法,研究了原位自生CaTiO3的反应机理以及主要工艺参量(扫描速率、电流强度)对原位自生CaTiO3陶瓷涂层的影响.热力学计算表明,在激光熔池内,可原位生成以CaTiO3为主的陶瓷涂层.结合X射线衍射及激光共聚焦观察结果可知,在脉冲频率为30Hz、脉宽为1.0ms、离焦量为15mm的条件下,合适的扫描速率约为3mm/s,电流强度为240A.最佳条件下制备的涂层主要成分为CaTiO3以及部分钛的氧化物.结果表明,熔覆层内为枝晶和胞晶组织,分布比较均匀,原位生成的陶瓷涂层与基底形成了良好的冶金结合.
- 激光技术 /
- 原位自生 /
- CaTiO3生物涂层 /
- 热力学分析
Abstract: CaTiO3 biocoating was in-situ fabricated on Ti-6Al-4V substrate via laser cladding technology to improve the bioactivity of titanium alloy.A pulsed YAG laser with a power of 500W was introduced as the radiation source.A mixture of pure titanium powder(average particle size 20m) and CaCO3 powder with a certain weight ratio was preplaced on the substrate as the precursor.The mechanism of in-situ fabrication of CaTiO3 biocoating was investigated by thermodynamic analysis.The effects of laser technologies such as laser scan speed and electrical current on the phase constituents and the surface morphology of the samples were studied.X-ray diffraction characterization and laser confocal scanning microscopy investigation showed that the proper parameters for laser cladding were as the following:pulsed frequency 30Hz,pulse width 1.0ms,defocus distance 15mm,laser scanning speed about 3mm/s,and electrical currency 240A.CaTiO3 and part of titanium oxides are the main phases in the coating.Optical microscopy result revealed that the microstructure in the coating was characterized as fine dendrites and cellular structure.A metallurgical bonding between the coating and the substrate was obtained.
- laser technique /
- in-situ fabrication /
- CaTiO3 biocoating /
- thermodynamic analysis

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激光熔覆原位生成CaTiO3陶瓷涂层及热力学分析

通讯作者: 杨玉玲, yulingyang@mail.neu.edu.cn

作者简介: 司秀丽(1989- ),女,人学本科生,日前从事激光表而改性方向的研究.

1. 东北大学理学院, 沈阳 110819

收稿日期: 2012-05-02
录用日期: 2012-06-06
网络出版日期: 2013-01-25

基金项目: 国家自然科学基金青年科学基金资助项目(50801012);中央高校基本科研业务费资助项目(N100405001);辽宁省自然科学基金资助项目(20102012);国家大学生创新性实验计划资助项目(110112)

关键词:

摘要: 为了改善钛合金表面生物活性,采用500W脉冲Nd:YAG激光作为热源,平均粒度约为20m的Ti粉和CaCO3粉为预涂材料,利用激光熔覆原位自生的方法,在Ti-6Al-4V表面制备CaTiO3陶瓷涂层.通过热力学分析,并结合X射线衍射分析方法,研究了原位自生CaTiO3的反应机理以及主要工艺参量(扫描速率、电流强度)对原位自生CaTiO3陶瓷涂层的影响.热力学计算表明,在激光熔池内,可原位生成以CaTiO3为主的陶瓷涂层.结合X射线衍射及激光共聚焦观察结果可知,在脉冲频率为30Hz、脉宽为1.0ms、离焦量为15mm的条件下,合适的扫描速率约为3mm/s,电流强度为240A.最佳条件下制备的涂层主要成分为CaTiO3以及部分钛的氧化物.结果表明,熔覆层内为枝晶和胞晶组织,分布比较均匀,原位生成的陶瓷涂层与基底形成了良好的冶金结合.