生物医用CoCrWMo合金的SLM成形及其热处理的组织与性能研究

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钴铬合金由于其优良的力学性能、耐腐蚀性、耐磨性和生物相容性等被广泛应用于生物医疗领域。激光选区熔化(Selective laser melting,SLM)成形技术可实现医疗植入体的定制化生产,使钴铬合金在临床上的应用得到了进一步发展。本论文对国产研发的高性能CoCrWMo合金粉末进行量化表征,优化其SLM成形工艺,并采用热处理进一步强化成形件的性能,重点研究热处理对SLM成形CoCrWMo合金组织、力学性能、摩擦磨损及耐腐蚀性能的影响。对SLM用CoCrWMo合金粉末的粒度、粒形及显微组织进行分析,粉末D10、D50、D90分别为17.2μm、27.4μm、44.4μm,欧奇奥钝度平均值为87%,散点图表明圆度及椭圆度的数值均密集分布于接近1的部分,球形度较高,未粘连卫星粉的粉末占63.4%。粉末的微观组织为胞状晶和树枝晶,相组成为FCC结构的γ相。对上述CoCrWMo合金粉末进行SLM成形,采用单因素法研究激光能量密度对SLM成形试样表面质量及致密度的影响。结果表明最佳工艺参数为:激光功率280 W,扫描速度800 mm/s,铺粉层厚0.03 mm,扫描间距0.10 mm,扫描策略为旋转扫描法(层与层之间旋转15°)。该工艺下激光体能量密度为117 J/mm3,试样致密度为99.4%,上表面粗糙度Ra为4.98μm,抗拉强度为984 MPa,屈服强度为663 MPa,断后伸长率为12.9%,显微硬度为386 HV,力学性能均高于铸造件。对SLM成形的CoCrWMo合金进行固溶-时效处理,研究该热处理工艺对合金组织与性能的影响。经1200℃、1 h固溶后的合金组织中γ(FCC)相占主导地位,此时合金的显微硬度相比SLM成形态有所降低,而强度和断后伸长率均提高。另外,在600℃、700℃、750℃、800℃、900℃时效过程中会发生γ(FCC)相→?(HCP)相的马氏体转变,同时析出细小碳化物M23C6(M=Cr,Mo,W)颗粒。升高时效温度会促进?相马氏体转变和M23C6析出,800℃时效10 h后析出的M23C6数量最多,但在900℃时效10 h后部分M23C6重新溶解长大。合金经时效处理后的显微硬度均明显提高,且随时效温度的升高显微硬度及强度呈现先升高后降低的趋势,而断后伸长率持续降低。SLM成形CoCrWMo合金经1200℃/1 h固溶+750℃/10 h时效热处理后,综合力学性能最优,显微硬度为426.9 HV,抗拉强度和屈服强度分别为1076 MPa和820.8 MPa,断后伸长率达10.5%。固溶-时效处理对SLM成形CoCrWMo合金的摩擦磨损及耐腐蚀性能的影响主要与其显微组织有关。在干摩擦条件下,合金的主要磨损机制为磨粒磨损和粘着磨损两种。当载荷从40 N增加到80 N时,试样的磨痕宽度均有所增加,但平均摩擦系数呈现下降的趋势,平均磨损率的变化则受磨损过程中CoCrWMo合金中应变诱导马氏体的转变及剥落碳化物的氧化影响而呈现不同的变化规律。ε(HCP)相及碳化物M23C6(M=Cr,Mo,W)含量高的试样具有更低的磨损率,其中经1200℃/1 h固溶+800℃/10 h时效热处理的合金在40 N、60 N、80 N载荷下均具有最低的磨损率,分别为:4.4×10-5 mm3/N·m、6.2×10-5 mm3/N·m、5.0×10-5 mm3/N·m,摩擦磨损性能最好。而电化学腐蚀试验表明,在p H 6.8的0.9%Na Cl溶液中,1200℃固溶1 h后的合金具有最小的自腐蚀电流密度((8)和最大的电荷转移电阻Rct,分别为:1.50′10-7 A/cm2、2.23′106Ω·cm2,耐腐蚀性能最好。这是因为ε马氏体相变及M23C6碳化物的析出会导致试样的点蚀敏感性增加,从而降低合金的腐蚀稳定性。采用国产研制的CoCrWMo合金粉末SLM成形出的髋臼杯植入体质量良好,为国产SLM成形医用植入体提供了一定的技术参考。
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