发明内容
[0004] 针对钽金属植入物硬度和耐磨损性能较低的缺陷，本发明要解决的技术问题是提供一种基于还原反应激光选区烧结原位自生Ta2O5/Ta金属陶瓷的方法，以期该方法制备的金属陶瓷兼具金属的强韧性和陶瓷材料的耐磨性能，能适用于生物植入材料领域。
[0005] 为解决以上技术问题，本发明是通过以下技术方案予以实现的。
[0006] 本发明提供了一种基于还原反应激光选区烧结原位自生Ta2O5/Ta金属陶瓷的方法，所述激光选区烧结环境要求的氧浓度临界值必须<100ppm；所述激光选区烧结选用的烧结粉末为具有单一相结构的Ta2O5陶瓷，纯度>99.5％。
[0007] 所述烧结得到的Ta2O5/Ta金属陶瓷为具有原位自生的Ta2O5和Ta两相均匀结构。
[0008] 上述方法制备的Ta2O5/Ta金属陶瓷可在对耐腐蚀耐磨损要求较高的人体植入材料中加以应用。
[0009] 所述激光选区烧结制备技术既可是传统的激光熔覆技术制备涂层，也可与 3D打印原型制造技术结合制备具有特定形状要求的骨或支架等植入物；制备过程即可是预置粉方法也可是送粉方法。
[0010] 激光选区烧结预置粉方法为：第一步将Ta2O5陶瓷粉末预置于金属基板表面，铺粉厚度为0.8～1.5mm；第二步通过激光烧结使粉末在满足要求的氧分压环境下熔化，熔化的Ta2O5液相通过还原反应逸出氧气从而可降低Ta-O液相中氧浓度，再通过后续凝固过程中Ta-O混合液体的液相分离行为形成厚度约0.2～0.5mm的 Ta2O5/Ta金属陶瓷两相复合涂层，完成一层熔覆或打印；第三步将基板下降一层粉末厚度的高度，在前一层熔覆层上再均匀铺上所述Ta2O5粉末进行激光烧结；最后，重复第一步至第三步，直至待成形零件加工成型，然后关闭激光扫描系统，待零件冷却至室温时取出。
[0011] 激光选区烧结送粉方法为：利用先进的送粉装置将粉末连续直接输送入激光光斑内，随着光斑按照3D原型模型方式移动，通过粉末一层层的熔化凝固，最终成型的方式，整个制备过程也需在满足要求的氧分压环境下进行。
[0012] 本发明的科学原理如下：
[0013] 在激光高温热源作用下，Ta2O5陶瓷粉末熔融为液相，根据附图说明1中的 Ta-O相图，若要获得Ta2O5和Ta两相原位自生复合结构，必须降低Ta2O5熔融液相中的氧含量，使得熔融液相可以进入液相分离区，即可形成富钽低氧区(L1) 与富氧区(L2)。因此，本发明创造性的提出了在低氧浓度环境下激光选区烧结 Ta2O5陶瓷粉末，利用液相Ta2O5的还原反应Ta2O5→2Ta+5/2O2，促进Ta-O液相中氧的逸出，从而制备原位自生Ta2O5-Ta两相复合材料。Ta2O5还原反应对环境氧临界分压的要求可根据范特霍夫方程方程进行计算，具体热力学计算如下：
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[0016] 上述公式中，式(1)为Ta2O5还原反应标准摩尔吉布斯自由能 式(2) 为Ta2O5还原反应的实际吉布斯自由能(ΔGT)同氧分压 和反应温度之间的关系。由式(2)可知，当反应实际吉布斯自由能等于零时，还原反应达到临界点。标准摩尔吉布斯自由能 与温度(T)的关系可由公式(3)得出：
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[0018] 根据以上公式，最终得出Ta2O5还原分解反应的临界氧分压与温度的计算关系如附图2所示。可见，当某烧结温度下环境中氧的浓度低于临界氧分压，则会诱导熔池中Ta2O5液相发生还原反应，促进Ta-O液相中氧的逸出，从而制备原位自生Ta2O5-Ta两相复合材料。一般而言，激光熔池温度至少会明显超过Ta2O5陶瓷相的1872℃熔点温度，而所需的临界氧分压随着熔池温度的升高会逐渐升高。因此，激光熔池温度越高，发生还原反应所要求的临界氧分压越高。
[0019] 与现有技术相比，本发明具有以下技术效果：
[0020] 1、以往激光熔覆技术在惰性气体保护或大气环境下进行的目的都是为了避免涂层金属氧化，保证涂层材料成分不发生变化。但是，在大气或对氧浓度不做具体要求的惰性气体保护下进行Ta2O5陶瓷粉末烧结，Ta2O5陶瓷熔化后由于成分没有明显改变，凝固后仍然为单一相结构的Ta2O5陶瓷，而陶瓷相固有的高脆性限制了Ta2O5陶瓷涂层的应用前景。本发明则结合Ta2O5高温液相在低于临界氧分压时会发生还原反应，通过严格控制烧结环境中的氧浓度，诱导Ta2O5还原分解和氧的逸出，激光选区烧结制备原位自生Ta2O5/Ta金属基复合陶瓷。这种通过严格控制烧结环境中氧浓度改变激光选区烧结材料成分和凝固相组织的控制措施以往未见报道，也未见以往有报道采用原位自生法制备高性能 Ta2O5/Ta金属基陶瓷的研究。
[0021] 2、与外加法将Ta2O5和Ta两种粉末进行机械混合后再进行激光选区烧结相比，本发明利用低氧浓度条件下Ta2O5液相还原反应制备原位自生Ta2O5/Ta金属陶瓷，陶瓷颗粒增强相具有分布更加均匀、尺寸细小、抗裂纹和韧性更好等显著优点，制备后Ta2O5/Ta金属基复合陶瓷的耐蚀性、硬度和耐体液腐蚀磨损性能均远高于钽金属，其硬度和耐体液磨损性能与Ta金属相比提高5倍以上，特别适用于生物植入材料领域。
