NiTi合金表面激光熔覆TiHA复合涂层的研究(7)
1.3.4 激光熔覆法
激光熔覆技术发展至今已有半个世纪之久，最早用来改善易磨损部件的耐磨性。伴随着这项技术日益成熟，它的许多技术优点受到越来越多领域的青睐[37]。重庆大学张亚平教授等人结合这一方法提出激光熔覆原位合成生物陶瓷涂层技术。
激光熔覆通过在基体材料表面添加熔覆材料，并利用高能密度的激光束照射，可在基材表面形成一层与基体材料相互熔合的且具有完全不同成分与性能的合金覆层或其它材料（如陶瓷材料）覆层[38]。图1.4为激光熔覆工作原理。它是由聚焦系统（45°平面反射镜、球面聚焦镜、斜反镜等组成）多面扫描转镜、驱动系统（由直流伺服电机驱动）、水冷系统等构成，此外，为保护镜面，在激光输入和输出口处利用气帘形成保护系统。
图1.4激光熔覆工作原理
图1.5是激光熔覆层的横截面形貌，θ1，θ2为润湿角，H为熔覆层的高度。θ1越大，涂层对基体的润湿性越好，眨越大，基体熔化越少，当θ2=1800对应平直的界面，基体熔化极少，是理想的熔覆情况。高宽比H/W越小，熔覆材料的铺展能力越强，高宽比越大，熔覆材料的利用率越大。因此，在一定程度上的润湿角、宽高比H/W、宽高积HW。代表了激光熔覆涂层的一定熔覆行为。涂层的熔覆行为既与涂层和基体材料的性质有关，也受工艺因素的影响，它们之间相互制约[39]。欲获得高性能的熔覆层，必须针对实际要求，合理的加以选择。
图1.5激光熔覆层的横截面形貌
按涂层材料的添加方式，激光熔覆的工艺方法主要有预置粉末法和同步送粉法两种。如图1.6所示。预置粉末法是指将待熔覆的材料以某种方法预先覆盖在基材表面，然后采用激光束在预覆层表面扫描，预覆层表面吸收激光能量使温度升高并熔化，同时通过热传导将表面热量向内部传递，使整个预覆层及一部分基材熔化，激光束离开后熔化的涂覆材料快速凝固而在基材表面形成冶金结合的熔覆层。同步送粉法是指采用专门的送料系统在激光熔覆过程中将涂覆材料直接送入激光作用区，在激光的作用下涂覆材料和基体材料的一部分同时熔化，然后冷却结晶形成熔覆层。前者工艺简单、操作灵活，但不易控制基体熔深，稀释度较大;后者可以充分利用能量，工艺参数易控制，覆层质量较好，生产效率高，但需配备计量精确的送粉装置，对粉末也有特殊要求。
（a）预置粉末法 （b）同步送粉法
图1.6激光熔覆原理示意图
与其他几种制备方法相比，该方法工艺过程易实现自动化，热输量小，畸变小，结合强度好；特别适合于小区域或难以接近的区域表面的改性需要，材料消耗小；熔覆材料种类繁多，有镍基、钴基和铁基合金，陶瓷材料等，特别是可以在低熔点基材表面熔覆高熔点涂层材料。
目前虽有很多关于此方面的研究，但由于获得的涂层存在结晶度不高，结合强度仍不够理想等缺陷，为避免这些不利因素，利用该技术制备生物陶瓷涂层仍然是研究热点。高家诚等[40]人为改善涂层性能提出激光重熔预处理制备生物陶瓷涂层，研究发现采用激光表面重熔预处理作过渡层制备的生物陶瓷涂层的界面结合良好，表层为HA和β-TCP组成的活性生物陶瓷复合涂层，并实现了涂层与基体间的冶金结合，明显改善了二者的结合强度[41，42]。刘其斌等[43]人通过改变激光工艺参数和设计涂层材料，在钛合金表面宽带激光熔覆梯度生物陶瓷复合涂层，研究发现采用宽带激光熔覆工艺，运用梯度设计的思路，在TC4合金表面成功地制得了含有生物活性的β-TCP+HA梯度生物陶瓷复合涂层；梯度生物陶瓷涂层分为基材、合金化层和生物陶瓷涂层，基材与合金化层以及合金化层与生物陶瓷涂层之间均实现了冶金结合。
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