电子束3D打印纯钽及表面功能化处理研究

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电子束3D打印纯钽植入体表面粗糙度高、生物惰性强等问题已严重制约其在生物医疗领域的深度应用。本文以粒径分布为12-107μm球形钽粉为原料,采用电子束粉床3D打印技术制备了致密度>99%沉积态纯钽样品。分别对沉积方向和水平方向样品微观组织形态及尺寸变化进行系统研究,建立不同微观组织与其在模拟体液环境中耐腐蚀性能间的对应关系;随后利用恒流法微弧氧化技术在不同方向平面制备生物活性陶瓷层,显著降低沉积态纯钽表面粗糙度,研究不同微观组织与陶瓷层性能对应关系;最后通过改变电流密度对陶瓷层形貌、厚度、孔隙率、耐腐蚀性能、生物活性元素含量及分布等进行调控。主要结论如下:(1)电子束3D打印纯钽为粗大柱状晶BCC结构,水平面小角度晶界含量略高于沉积方向平面,在模拟体液环境中表现出更强的耐腐蚀性能。(2)微弧氧化陶瓷层微观形貌及性能主要受电流密度影响。陶瓷层表面呈现出纳米到微米级孔洞随机分布的多级孔结构,沿生长方向分为内致密层和外多孔层。电流密度增加将引起陶瓷层厚度、表面孔隙度、孔隙尺寸、内部孔隙数量和尺寸、生物活性元素含量、表面粗糙度增加。(3)微弧氧化可显著降低电子束3D打印纯钽表面粗糙度,当电流密度<0.79 A/cm2时,陶瓷层表面粗糙度<10μm,可满足人体植入要求。(4)随电流密度增加,陶瓷层对基体纯钽的保护作用逐渐消失。电流密度为0.31-0.39 A/cm2制备微弧氧化陶瓷层可显著提高电子束3D打印纯钽在模拟体液环境中的耐腐蚀性能。
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