热喷涂羟基磷灰石涂层的应力-组织协同控制研究

Interfacial bonding and and structural stability is the key issue that determines the implant service life of thermally sprayed hydroxyapatite coating. Based on the fundamental process of the coaint formation, the present work intends to combine the micro scale analysis of the formation of an individual splat with the macro scale means studing the dynamic process of the splat accumulation and to study the internal stress evolution and the development of the coating microstructure and defects. By examining the couping effect of the stress and microstructure, the strategy of the coating deposition using synegic control of stress-microstrucutre is proposed to prepare high performance hydroxyapatite coating that meet both the structural and functional requirement in sevice.

涂层界面结合与组织稳定性是影响热喷涂羟基磷灰石涂层植入体服役寿命的关键问题，本项目拟从涂层构造的基本过程出发，采用微观-宏观相结合的手段，将喷涂时单个颗粒行为、组织转变与宏观涂层动力学构造过程相结合，研究热喷涂HA涂层过中内应力演变规律与涂层组织及缺陷的形成机制，分析喷涂时应力-组织之间的耦合作用过程和相互关联，通过应力-组织协调控制制备出满足服役条件下结构、功能双重需求的高性能羟基磷灰石涂层。

本项目从热喷涂涂层构造的基本过程出发，对等离子喷涂HA涂层的组织调控与应力演变进行了研究。针对热喷涂HA组织形成的研究中，用毫米级颗粒撞击的物理模拟方式研究了热喷涂HA颗粒的组织特点与形成机制，发现热喷涂HA扁平颗粒组织主要为凝固的HA枝晶，随着过热程度升高，表层微区Ca/P比有所增大，促进TCP相形成。通过对热喷涂颗粒结构的改进，可以在更低功率条件下实现颗粒熔化，减少了热分解相的形成，有效解决了常规喷涂HA涂层高力学性能与高结晶度的矛盾；以实验观察与理论计算相结合，找到了不同喷涂颗粒熔化状态的工艺窗口，结合外加热场的方法制备出不同结构特点的HA涂层。针对热喷涂涂层应力演变的研究中，搭建了在线监测喷涂涂层应力的监测装置和热流密度检测装置，在有限元仿真中采用逐层累积方式建立涂层生长模型，模型中考虑了不同条件下热流输入和材料热物性能变化，对喷涂过程中的涂层温度变化与内应力变化进行仿真，所得结果与实验结果进行校核，最后采用所建立模型对实际喷涂样件进行计算，所得结果与实验测试值较为接近。