3D打印多孔钛合金拓扑结构与其力学性能、渗透性能关系研究

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具有多孔结构的骨科植入物,可以有效地避免应力遮蔽效应,利于骨长入,提高植入的成功率。但是不同部位骨组织具有不同的力学性能及渗透性能,因而对于多孔植入物的要求也不尽相同,需要进一步研究不同多孔植入物的力学性能以及渗透性能的差异,为设计新型多孔骨植入体提供理论基础。本文利用选择性激光熔化(Selected Laser Melting,SLM)制备了不同拓扑结构的多孔钛合金(Ti6Al4V),研究了多孔Ti6Al4V的热处理工艺,通过控制孔隙率这一变量,探究了不同拓扑结构钛合金的力学性能及渗透性能差异。同时本文采用有限元分析方法对多孔结构的变形行为及液体渗透性能进行了研究。全文的主要结论如下:(1)本文设计三种孔隙率为65%,具有不同拓扑结构的Primitive、Gyroid、BCC多孔结构,在850℃和950℃对其进行热处理,并对多孔Ti6Al4V样品进行力学性能测试。结果表明,热处理可以使得多孔Ti6Al4V样品的组织更加的均匀,使成型样品中的针状的α’相转变为α板条和α+β微观组织,这改善了多孔样品的塑性。经950℃热处理2小时后炉冷,材料具有较好的组织稳定性以及力学稳定性。不同拓扑结构的多孔样品在相同孔隙率下具有不同的力学性能,其中,BCC样品的抗压以及抗拉强度最低,分别为216.0±5.1MPa、143.0±1.3MPa,Gyroid样品的抗压及抗拉强度最高,分别为321.3±17.2MPa、321.3±17.2MPa,而Primitive的抗压强度和抗拉强度,分别为295.4±1.8MPa、261.2±16.2MPa;可见,相同孔隙率条件下(65%),多孔材料强度相差近180MPa。可以看出,除孔隙率这一重要参数外,孔单元拓扑结构对多孔材料强度有着巨大的影响。(2)设计四种多孔结构Primitive、Gyroid、Diamond、IW-P,每种多孔结构均设计了四种不同孔隙率,55%、65%、75%、85%。在950℃下对样品进行2小时热处理,然后测试其力学性能,同时对四种多孔结构进行静力学仿真。结果表明:在相似孔隙率下,Primitive的抗压能力不及其他三种多孔结构,IW-P的抗压能力较佳,但是IW-P在应力平稳阶段易发生断裂。而Gyroid结构具有较好的应力传导性,其压缩曲线较平滑。在多孔Ti6Al4V相对密度与相对力学强度及相对弹性模量的关系曲线中,实验值与预测曲线的拟合较好。经静力学分析多孔结构的压缩变形行为,发现多孔单元的内部往往先发生屈服和弯曲。(3)沿用上述四种多孔结构,进行液体渗透性能仿真。结果表明:在相近孔隙率下,多孔结构的渗透性系数主要是与其孔单元的拓扑形貌相关,多孔结构的拓扑形貌越简单,孔径越大,其渗透性系数越大。其中,Primitive结构具有最大的渗透性系数,Primitive结构的最大渗透性系数为10.6×10-9m2
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