【摘 要】
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当今以激光选区熔化成形（Selective Laser Melting,简称SLM）技术领衔凸显增材制造在快速原型制造领域中的优势,SLM技术成形的多孔金属在孔结构和力学性能等方面有类似于骨的特点,使得SLM技术在生物医学领域广泛应用。然而,由于SLM技术发展时间较短,多孔金属部件力学性能、微观结构和生物兼容性研究较少,限制了多孔金属在医学领域广泛应用。本文选择丝材气爆法技术制备的钽粉作为实验粉末
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当今以激光选区熔化成形（Selective Laser Melting,简称SLM）技术领衔凸显增材制造在快速原型制造领域中的优势,SLM技术成形的多孔金属在孔结构和力学性能等方面有类似于骨的特点,使得SLM技术在生物医学领域广泛应用。然而,由于SLM技术发展时间较短,多孔金属部件力学性能、微观结构和生物兼容性研究较少,限制了多孔金属在医学领域广泛应用。本文选择丝材气爆法技术制备的钽粉作为实验粉末,采用激光选区熔化技术制备致密钽及多孔钽。利用金相显微镜和扫描电镜,观察和分析了致密钽及多孔钽的微观形貌;采用流体静力学原理测量多孔钽的孔隙率;利用电子万能测试仪测定多孔钽的抗压强度及弹性模量;研究SLM工艺参数对成形钽试样的致密度及成形质量的影响规律;研究孔隙率和平均孔径对成形多孔钽结构特征力学性能的影响规律;并初步阐明激光工艺下多孔钽中缺陷形成机制。研究表明:（1）激光选区熔化制备钽金属:在其他参数一定的情况下,单位能量输入受激光功率的变化影响,增大激光功率,使粉末热辐射变大,提高了熔化温度,增大熔池的宽度和深度,有效抑制了球化现象,缩小相邻熔道和层间距离,提高成型件致密度;扫描速度低于1000mm/s时,熔池中残留气体致使凝固时形成圆形气孔,扫描速度大于1250mm/s时,金属粉末未能得到润湿完全熔化,出现尺寸较大、形状不规则的匙孔缺陷,合适的扫描速度区间为1000～3000mm/s;扫描间距的大小影响熔道之间的搭接率,在搭接率接近35%,即扫描间距为80μm时,成型表面平整度与致密度最为理想;引入能量密度模型,足够的能量密度输入（90～110J/mm~3）是保证低孔隙高致密零件成形的必要条件;当工艺参数中输入功率为300W,激光扫描速度为1250mm/s,铺粉层厚为0.03mm,激光扫描间距为0.08mm时,钽的成形致密度达到99.88%,表面质量俱佳。（2）激光选区熔化制备多孔钽:孔隙特征与力学性能存在一定的关系,多孔钽孔隙率由48.5%升高到71.5%时,抗压强度分别从87.53MPa和6.5GPa降低到40.76MPa和3.1GPa,满足骨植入材料的孔隙特征、抗压强度及弹性模量;平均孔径的改变影响多孔钽的整体致密度,随着平均孔径由300μm增加到700μm,抗压强度和弹性模量逐渐下降。制备过程中多孔钽存在的缺陷主要表现为球化现象、裂纹及翘曲变形,通过适当增大循环保护气体流量和选择更具优势的丝材气爆法制得钽粉能够改善球化现象,适当降低能量输入可抑制裂纹产生,添加结构支撑或预热基板可抑制底部翘曲变形。
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