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激光选区熔化原位制备医用钛铌合金的工艺、组织及性能

激光选区熔化原位制备医用钛铌合金的工艺、组织及性能

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作者：王倩华中科技大学

学位级别：硕士

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... 详细信息

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。

关键词：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

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