电子束选区熔化Ti-6Al-4V点阵材料成形能力及性能研究

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点阵材料是由杆或板以类似晶体点阵的方式连接组成三维结构,具有典型结构单元特征的一类材料。金属点阵材料是一类重要的结构功能一体化材料,具有密度低、换热、通液、通气、吸能、减震等多功能属性。近年来3D打印技术的发展,实现了结构复杂、包含大量孔结构单元个数的金属点阵材料的快速、可控成形,并且为金属点阵植入体的个性化定制提供了可能,因此,3D打印金属点阵材料在生物医疗领域的应用迅速成为研究热点。电子束选区熔化(Selective Electron Beam Melting,SEBM)是金属点阵材料在生物医疗领域的主要3D打印技术,特别适合成形广泛应用于生物医疗领域的钛及其Ti-6Al-4V点阵材料。相比于SEBM打印Ti-6A1-4V点阵材料医疗应用的快速发展,SEBM打印Ti-6A1-4V点阵材料的基础研究比较滞后。本论文针对SEBM打印Ti-6A1-4V点阵材料孔筋的不连续,成形精度较差,表面粗糙度数值较高,缺陷数量较多,点阵材料脆性较大开展了相关系统研究,主要内容及结果包括:(1)研究了 SEBM打印Ti-6Al-4V点阵材料的孔筋不连续的问题。通过模型的建立及实验数据的分析,明晰了影响孔筋不连续的直接影响因素,为孔筋直径d、孔筋倾斜角度θ和打印层厚h。建立了搭接率与孔筋直径d、孔筋倾斜角度θ和设备层厚h的直接关系,获得了搭接率门槛值。为点阵材料的设计以及粉床3D打印设备的发展提供了指导。(2)系统分析了影响SEBM打印Ti-6Al-4V点阵材料孔筋成形精度、表面粗糙度、内部缺陷、显微组织、力学性能的规律。以SEBM成形不同直径和不同倾斜角度的165根Ti-6Al-4V点阵材料孔筋为研究对象,研究了孔筋直径和倾斜角度对SEBM打印Ti-6Al-4V孔筋成形问题的影响,并阐述了相关机理。(3)基于以上孔筋的研究结果,设计了孔隙率为50%的三种不同孔结构单元(简单立方,六边形体,四面体)的点阵材料,研究了 SEBM打印三种不同孔结构单元Ti-6Al-4V点阵材料的压缩与拉伸性能。SEBM打印Ti-6A1-4V点阵材料的抗压和抗拉强度可通过孔结构单元设计得到提高。(4)研究了化学腐蚀,热等静压(HIP)和 1200℃/2h高温热处理对SEBM打印Ti-6Al-4V点阵材料力学性能的影响。1200℃/2h高温热处理后,SEBM打印Ti-6Al-4V简单立方点阵材料的抗压强度达到321.98MPa,同时其脆性得到明显改善,压缩应变达到32.88%,完全满足人体骨骼最高抗压强度需求,并且远高于现阶段所报导的研究数据。综上所述,本论文工作的开展,提出了避免点阵材料孔筋不连续的设计准则,解决了现阶段SEBM打印Ti-6A1-4V点阵材料强度较低、脆性大的问题,为点阵材料的深入研究及发展具有理论指导与实际应用价值。
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