La2O3和Sm2O3的含量對寬帶激光熔覆生物活性梯度涂層的生物活性的影響

龔尚露簡久利江佩澤胡昆昆（貴州大學材料與冶金學院，貴州貴陽550003）

La2O3和Sm2O3的含量對寬帶激光熔覆生物活性梯度涂層的生物活性的影響

龔尚露1,a簡久利1,b江佩澤1,c胡昆昆（貴州大學材料與冶金學院，貴州貴陽550003）

為了提高寬帶激光熔覆生物活性涂層的生物活性，添加了兩種稀土氧化物，分別是Sm2O3，La2O3，實驗結果表明，當稀土氧化物添加量為0.6w t.%La2O3和0.4w t.%Sm2O3時，HA和TCP的生成量是最多的。將樣品放入模擬體液中培養14天之后，通過SEM和EDS檢測出當稀土氧化物添加量為0.6w t.%La2O3和0.4w t.%Sm2O3時，涂層中的Ca-P的含量是最高的并且表面陶瓷層覆蓋完整。故當稀土氧化物添加量為0.6w t.%La2O3和0.4w t.% Sm2O3時，涂層的生物活性較好。

激光熔覆；生物活性陶瓷涂層；La2O3；Sm2O3

引言

羥基磷灰石（HA），既Ca10（PO4）6（OH）2。它含有人體組織所必需的的鈣和磷元素，是人體和動物骨骼的主要無機成分，在人體骨組織替代和修復方面有著極大的研發價值［1］。但是，HA的強度（50-150MPa）和韌性（1.0-1.2MPa·m-1/2）［2］較低，限制了HA作為人體骨組織替代品在人體中的運用范圍，如果把HA與力學性能優良的生物金屬材料相結合，便可以制作出結合兩者優點的材料，而鈦合金擁有較好的強度和韌性［3］，是十分理想的基材材料。目前，在金屬表面制備生物活性陶瓷層的主要方法有等離子體噴涂［4］，和激光熔覆［5］。而激光熔覆具有結合強度高、加熱速度較快、操作簡單、熔覆環境清潔等優點。

一、實驗材料及其方法

1.實驗材料

材料分為基體部分和熔覆涂層部分?；w部分材料為TC4醫用鈦合金，主要成分是Ti、少量的Al（5.5%--6.8%）和V（3.5%--4.5%）。涂層粉末材料有分析純CaCO3、CaHPO4.2H2O、稀土氧化物La2O3、Sm2O3以及20-40um的Ti粉。

2.實驗步驟

（1）藥品數據設計

本次試驗的試驗數據是采用La2O3的濃度不變而Sm2O3的濃度分別為0.0wt%、0..2wt%、0.4wt%、0.6wt%、0.8wt%。稀土氧化物與CaCO3、CaHPO4.2H2O同時混入研磨。實驗涂層設計為。

表1 生物陶瓷梯度涂層成分設計Table1 Compositionaldesign ofbioceramic Gradientcoating

其中，M表示CaHPO4·2H2O、CaCO3的混合體，T代表Ti粉。設計三層涂層的原因是CaHPO4·2H2O和CaCO3粉末與基體材料線膨脹系數、熔點等熱物性參數相差較大，直接熔覆容易造成涂層與基體之間的裂紋，因此通過加入不同鈦粉含量的不同涂層對熔覆層粉末進行梯度成分設計，從而改善涂層與基材的集合強度。

（2）激光熔覆前材料的處理

Ti合金基材要用打磨機打磨光滑用丙酮、酒精清洗以后用生物膠涂覆已研磨的材料。涂覆應該遵循少膠多粉的原則，涂覆的時候要使涂層壓緊，涂層呈現出光滑平面狀。涂層厚度一般為0.5mm左右。待涂層陰干后即可進行激光熔覆。

（3）激光設備的選用與熔覆

寬帶激光熔覆實驗采用TJ-HL-5000型5KW CO2激光器及TJ-LAMP五坐標三軸聯動加工機床。激光功率P=1700w，掃描速度v=180min/s光斑尺寸D=12mm×2mm。寬帶激光熔覆工藝是先熔覆第一梯度層，清理表面后涂覆材料，再熔覆第二梯度層，再清理表面和涂覆材料，最后再熔覆第三梯度層，從而在鈦合金上形成稀土活性梯度生物陶瓷涂層。

（4）激光熔覆完成后材料的處理

1）模擬體液浸泡處理

激光熔覆以后的材料試驗采用的SBF配制與Kokubo［6］等研制的SBF相同，其無機成分與人體血漿相似，因此涂層在SBF溶液中浸泡過程中離子濃度的變化以及涂層所發生的溶解、生長等過程與生物體內的生物礦化過程極為相似。

二、數據的實驗分析

1.XRD分析

圖2是添加0.6wt%La2O3和不同濃度的Sm2O3在模擬體液中浸泡14天后的X射線衍射圖譜。又圖可知，生物陶瓷涂層中主要有Ca3（PO4）2既TCP、Ca10（PO4）6（OH）2、和CaO。當沒有添加Sm2O3時，生物陶瓷涂層中幾乎沒有HA和TCP生成，而當Sm2O3的添加量在0.2wt%時，表征HA和TCP的特征峰有略微凸起，說明在生物陶瓷涂層中生成了少量的HA和TCP。當Sm2O3的添加量在0.4wt%時，HA和TCP的特征峰達到最高，其主要衍射峰出現在2θ為33°附近，說明在生物陶瓷涂層中催化合成的HA和TCP的量達到最大。當Sm2O3的添加量在0.6wt%時，HA的特征峰沒有太大變化，但是TCP的峰值有所下降，說明此時陶瓷涂層中的TCP合成受到了一定的限制。當Sm2O3的添加量在0.8wt%時，HA和TCP的特征峰都顯著的下降，說明HA和TCP的催化合成都受到的抑制。

2.SEM與EDS圖譜和分析

圖1 添加0.6wt%La2O3和不同濃度的Sm2O3在模擬體液中浸泡14天后的X射線衍射圖譜Fig.1.The XRD resultof thebioceramic coatingwith differentcontentof Sm2O3and 0.6wt%La2O3after soaked in SBF for14 days

圖2 添加0.6wt%La2O3和0.0wt%Sm2O3在模擬體液中浸泡14天后的SEM與EDSFig.2.The SEM and EDS resultof0.0wt%Sm2O3for14 days

圖3 添加0.6wt%La2O3和0.2wt%Sm2O3在模擬體液中浸泡14天后的SEM與EDSFig.3.The SEM and EDS resultof0.2wt%Sm2O3for14 days

圖4 添加0.6wt%La2O3和0.4wt%Sm2O3在模擬體液中浸泡14天后的SEM與EDSFig.4.TheSEMandEDSresultof0.4wt%Sm2O3for14days

圖5 添加0.6wt%La2O3和0.6wt%Sm2O3在模擬體液中浸泡14天后的SEM與EDSFig.5.The SEM and EDSresultof0.6wt%Sm2O3for14 days

圖6 添加0.6wt%La2O3和0.8wt%Sm2O3在模擬體液中浸泡14天后的SEM與EDSFig.6.The SEM and EDSresultof0.8wt%Sm2O3for14 days

由分析結果可以知道，當添加0.4wt%Sm2O3和0.6wt%La2O3時，樣品表面的結構最為平整，顆粒最為細小，鈣磷含量也最高。結合XRD的分析，可以得出當添加0.4wt%Sm2O3和0.6wt%La2O3時，生物陶瓷涂層擁有最好的生物活性。

三、結語

設計添加兩種不同的稀土氧化物，以此研究混合稀土氧化物對寬帶激光熔覆生物活性梯度涂層的生物活性的影響，研究表明，當添加的稀土氧化物的含量分別為0.4wt%Sm2O3和0.6wt% La2O3時，樣品表面的HA和TCP相衍射峰達到最高，鈣磷含量也是最高，表面被由鈣磷元素構成的白色顆粒所覆蓋。所以當添加的稀土氧化物的含量分別為0.4wt%Sm2O3和0.6wt%La2O3時，寬帶激光熔覆生物活性梯度涂層的生物活性最佳。

［1］Niu Jinlong，Zhang Zhenxi，Jiang Dazong.Synthesis and Characteristics of Porous Hydroxyapatite Bioceremics［J］.J Biomed Eng，2001，19（2）：302-305J.

［2］劉其斌，鄒龍江，鄭敏，董闖.Y2O3含量對寬帶激光熔覆梯度生物材料陶瓷復合涂層組織的影響.

［3］Lingyan Zhang，Q.B.Liu，The Bioactivity ofGradientComposite Bioceramic Coatingwith DifferentContents ofMultiple Rare Earth Deoxide Fabricated byWide Band Laser Cladding，Advanced MaterialsResearch Vols.706-708（2013）pp 318-322.

［4］Y.C.Yang，E.Chang，The bonding ofPlasma-sprayed hydroxyapatite coatings to titanium：effectofprocessing［M］，prosity and residualstress，Thin Solid Films，2003，444，260.

［5］汪震，劉其斌，肖明，楊邦成.Nd2O3含量對寬帶激光熔覆稀土活性生物梯度陶瓷涂層性能的影響，中國激光，第38卷，第5期，2011.5.

［6］TADASHIK，HIROAKIT，How useful is SBF in predieting in vivo bone bioactivity，J.JournalofBiomaterials.27（2005）2907-2915.

2.做好焊接原料管理

焊接原料是控制焊接質量的關鍵性因素，因此做好焊接原料管理也就顯得尤為重要。一方面，焊接原料的來源要確保正規、可靠，而且采購到位后還應全面進行性能檢查與測試；另一方面，焊材庫房的設立必須進行科學規劃，在保證其具備良好的保溫、去濕及烘干條件的基礎上，以專業化的儀器隨時記錄焊材狀態。當然，管道焊接現場也應配備專業人員進行原料管理，不僅要監督施工技術人員的焊材使用，而且還必須注意現場原料放置位置，以防止錯用、漏用等問題的發生。

3.注重設備管理

除了焊接原料之外，焊接設備也是影響焊接質量的重要因素。目前來說，壓力容器管道焊接中常需要用到氬弧焊機、電弧焊機、保溫桶以及焊條烘干箱等。為了應對隨時可能出現的設備故障，施工單位應安排專業機修人員同步跟進，這樣一來，其既能對焊接過程中的設備使用提供指導，也能及時有效地解決設備異常，從而有效避免設備問題造成的質量缺陷。

4.加強焊前技術準備

在正式開始壓力容器管道焊接前，設計部門應編制好專業、實用的焊接作業指導書，由各團隊負責人發放給技術人員學習，以保證其能充分了解焊接環境、焊接工藝以及相關注意事項。同時，焊接前質檢部門還應安排技術人員進行初步的實地考察，并將驗證結果與作業指導書進行全面對比，從質量控制的角度分析預定焊接方案的可靠性。不僅如此，對于首次應用的焊材、鋼種以及工藝方案，還必須進行可行性試驗，并由專業的評定機構進行研究分析，以確定施工團隊是否能將相關工藝要求付諸實踐。

5.落實焊接工藝與焊后檢查

焊接工藝的落實是質量控制核心，在焊接打底上，一般以氬弧焊由下往上施焊，而且打底時必須做好試焊，并做好氬氣雜質含量的檢查。在這一工序上，底層焊縫應在不焊穿的基礎上保證整體均勻焊透，同時，檢查打底焊縫并焊接次層焊縫也需要同步落實。對于中層施焊，則應在底部完成施焊后及時做好外觀檢查與渣物清除，并在磨透且清除隱患區域后予以重焊。另外，焊接完成后，除了例行各項工藝指標的檢查外，還應定期安排后續的跟蹤復查，并將檢查結果記錄在冊，以研究分析焊接方案的質量控制是否科學有效，從而確保壓力容器管道實際運行的安全性與穩定性。

四、結語

總而言之，壓力管道焊接對于壓力容器使用的安全性與穩定性至關重要，在完成相關焊接項目的過程中，焊接人員必須牢牢把握各環節的技術要點，將核心施工工藝貫徹落實。同時，由于管道焊接各節點以及各區域往往有一定的聯系，一旦出現問題極可能牽一發而動全身，所以加強焊接全過程的動態質量管控也就很有必要。只有嚴格規范各道焊接工序，將質量控制的理念深入人心，壓力容器的管道焊接工作才能向科學化與規范化發展。

參考文獻：

［1］夏萍.壓力管道焊接技術與質量控制［J］.《科技創新與應用》.2014（5）.

［2］史英彬，張剛.壓力管道焊接技術與質量控制探析［J］.《城市建筑》.2013（14）.

［3］李斌.壓力管道焊接技術與質量控制措施分析［J］.《大科技》.2014（12）.

［4］陳慶東.壓力管道焊接技術與質量控制探析［J］.《城市建設理論研究（電子版）》.2014（7）.