激光快速成形技术是依靠所构造的三维模型,通过材料的逐层激光熔覆沉积,制备高性能复杂结构致密金属零件的快速无模近形制造技术。利用该技术可实现医用种植体的个性化设计与制备。然而当前用于激光快速成形的生物医用钛合金均以传统的Ti-6Al-4V、Ti-6Al-7Nb等合金为主,该类合金的生物相容性、弹性模量等性能不理想。后续发展的β-Ti合金上述性能虽有改进,但其流动性差,无法满足激光快速成形工艺的实际要求。作为激光快速成形医用材料不仅要有优异的生物学和力学性能,还应满足激光快速成形工艺需求,这要求合金具有高的熔体与固态结构相容性,因此,应以共晶合金成分为优选原则之一。研究表明,Ti-Fe二元共晶合金具有优良的综合力学性能、生物相容性及成形性,但该合金弹性模量高,且成形过程中易产生Ti4Fe20氧化物,使合金的综合性能下降。针对以上问题,提出以Ti-Fe二元共晶基础团簇为构建基元,以无毒、低弹的Zr、Sn作为降弹元素,以无毒、高活性Y作为净化液相的元素,利用适用于非平衡凝固过程中合金成分设计模型—“团簇+连接原子”结构模型,基于原子间近程键合特征,设计了一系列Ti-Fe-Zr-Y、Ti-Fe-Sn-Y及Ti-Fe-Zr-Sn-Y医用合金,并利用激光快速成形技术制备了合金的成形体。对合金的组织、力学性能、成形性、耐蚀性及生物相容性进行了系统研究,得到的主要研究成果如下:(1)针对所设计的Ti-Fe-Zr-Y合金的研究表明,该合金体系均主要由β-Ti、TiFe及Zr2Fe相所组成。由于Y元素的净化作用,合金中没有Ti4Fe20氧化物生成。随着Zr含量的增加,合金组织依次由过共晶转变为共晶和亚共晶。当合金满足Ti22Fe10Zr2成分式时,获得了综合性能最佳的Ti64.52Fe29.32Zr5 86Y0.30共晶合金。与激光快速成形Ti70.5Fe29.5及商用Ti-6Al-4V合金相比,所研究的合金具有较高的硬度,较低的弹性模量,较好的摩擦磨损性能及压缩性能,其在Hank’s溶液中的耐蚀性也较好。其中,四元共晶合金的弹性模量(102 GPa)较激光快速成形Ti70.5Fe29 5合金降低了 32%,说明通过低弹元素的合金化可以有效降低Ti70.5Fe29.5合金的弹性模量,但降低的幅度是有限的,因此向合金中添加比Zr(68 GPa)弹性模量更低的Sn(50 GPa)元素。(2)所研究的Ti-Fe-Sn-Y合金主要由β-Ti、TiFe及Ti3Sn相所组成。随着Sn含量的增加,合金组织依次由过共晶转变为近共晶和亚共晶。其中,Ti70.38Fe24.92Sn4.40Y0.30近共晶合金具有最佳的综合性能,其性能同样优于激光快速成形Ti70.5Fe29.5及商用Ti-6Al-4V合金。但该合金弹性模量(101 GPa)的降低较Ti64.52Fe29.32Zr5.86Y0.30 比不显著,因此,有必要通过Zr、Sn元素复合合金化进一步降弹。(3)Ti-Fe-Zr-Sn-Y合金主要由β-Ti、TiFe及Zr2Fe相所组成。从总体趋势看,Sn含量的增加,有利于合金从过共晶向亚共晶和共晶组织转变,而Zr含量影响比较复杂,缺乏规律性。极差分析结果表明,Ti64.51Fe26.40Zr5.MSn2.2.93Y0.30共晶合金的综合性能最佳,且Sn含量变化对合金性能的影响大于Zr含量变化的影响。五元共晶合金的性能较Ti64.52Fe29.32Zr5.86Y0.30 和 Ti70.38Fe24.92Sn4.40Y0.30 相比,除了稍差的成形性及相近的耐蚀性外,其具有最佳的压缩性能、摩擦磨损性能及生物相容性,此外,还具有最高的硬度、最低的弹性模量,其弹性模量较两种四元共晶合金相比降低了 24%。(4)利用“团簇+连接原子”结构模型设计了一系列满足激光快速成形工艺要求的医用钛合金,通过对合金组织及性能的分析,归纳出基于“团簇+连接原子”模型的合金化内在机制,即合金化元素在基础团簇式中合理的定位,取代团簇心部高弹模铁原子或团簇壳层位置的高弹模的钛原子,在实现组织遗传性的同时,通过调整相应共晶相的晶格常数、数量和尺寸,以及合金化元素低弹模本质,有效降低合金的弹性模量。为此在低弹性模量的合金成分设计的选材上要遵循以下选材原则:1)所选取的合金化元素应是无生物毒性的;2)应具有低弹性模量且与基体元素具有大的原子半径差;3)合金化元素不应使共晶组成相失稳,以使合金具有良好的组织遗传性和稳定性;4)对高亲氧性的钛合金,应适当添加一定化学配比的脱氧剂。在遵循上述选材原则的基础上,同时提出了如下设计准则:1)对二元合金的共晶成分点进行局域结构解析,构建基本的“团簇+连接原子”结构模型;2)根据合金化元素的性质与作用确定所添加元素具体是进入何种团簇结构,起到使对应的相稳定或失稳的作用;3)依据合金化组元与基体元素间的混合焓大小、团簇的密堆性原则及合金化组元的电子结构特性对合金化元素进行合理的定位,定位时要遵循以下原则:与基体元素具有负混合焓的组元,占据团簇心部位置;与基体元素具有正混合焓的组元,占据连接位置;与基体元素性质相似的组元可替代基体。