激光选区熔化原位制备医用钛铌合金的工艺、组织及性能

作     者：王倩 

作者单位：华中科技大学 

学位级别：硕士

导师姓名：魏青松

授予年度：2018年

学科分类：08[工学] 080502[工学-材料学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 0802[工学-机械工程] 080201[工学-机械制造及其自动化] 

主      题：增材制造 激光选区熔化 钛铌合金 力学性能 体外磷灰石形成能力 耐腐蚀性能 

摘      要：激光选区熔化(Selective Laser Melting,SLM)是最主要的增材制造技术之一。SLM技术利用高能激光束逐层熔化微细金属粉末,可直接制造近致密的复杂金属零件,特别适合具有个性化外形和内部微孔结构人体骨骼植入体的制造。钛铌合金(Titanium-niobium,Ti-Nb)是一种近β型钛合金,具有比强度高、模量低、耐腐蚀性好和生物相容性优异等优点,是理想的人体骨骼植入体替代材料。本文以纯Ti和纯Nb粉末为原始材料,采用机械球磨法制备多种组分的混合粉末,并利用SLM技术制备了不同配比的Ti-x Nb合金(x=0,15,25,45 at.%)。系统研究了Nb含量对成形试样相组成、微观组织、力学性能、体外磷灰石形成能力及耐腐蚀性能的影响,主要结论如下:(1)优化了Ti-15Nb合金SLM成形工艺参数。优化后的工艺参数如下:激光功率330 W,扫描速度1000 m/s,铺粉层厚0.03 mm,扫描间距0.10 mm。Ti-15Nb合金的显微组织由针状α’马氏体和β晶粒组成,并含有少量微裂纹、微孔及未熔化Nb颗粒。在优化激光能量密度(110 J/mm3)下可获得较高致密度(97.3%)以及较小α’晶粒,这有效提高了试样的显微硬度,使其高达261±7 HV0.1,比铸造Ti-Nb合金高出11.83%。(2)基于优化的激光工艺参数,研究了材料配比对微宏观性能的影响规律。随Nb含量的增加,β晶粒的数量增加而尺寸减小。前者是由于Nb与Ti形成β(Ti,Nb)固溶体,抑制了马氏体转变;后者归因于晶粒异质形核数的增加。Ti-45Nb中β晶粒尺寸小于1μm,极限强度达1030±40 MPa、硬度达356±7 HV0.1。强度和硬度分别较铸造Ti-Nb合金高出97.32%和52.53%,这主要归因于细晶强化和固溶强化的综合作用。模拟体液(SBF)浸泡实验和电化学腐蚀实验结果表明,由于Nb元素的存在,Ti-Nb合金较纯Ti具有更优的钙磷沉积能力和耐腐蚀性能。前者是由于β相具有诱导磷灰石形成的能力,而后者则是由钝化膜中Nb2O5含量增加所致。上述研究结果表明,在适当的工艺条件及材料配比下,利用SLM技术可制备具有优异机械性能、体外生物活性和耐腐蚀性能的Ti-Nb合金,可满足骨骼植入体基本性能要求,为SLM制备Ti-Nb合金用于人体骨骼植入体奠定了初步理论基础。