【摘 要】
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骨缺损是一种常见的骨科疾病,大面积的骨缺损往往需要进行手术修复。利用自体骨、异体骨等天然骨替代物进行骨移植无法满足个性化修复的需求。因此,迫切需要针对不同的修复需求,对骨科植入体进行个性化定制。激光选区熔化技术(Selective Laser Melting,SLM)作为增材制造技术(Additive Manufacturing,AM)中最有发展前景的方向,具有成形精度高、致密度高的特点,能成形具
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骨缺损是一种常见的骨科疾病,大面积的骨缺损往往需要进行手术修复。利用自体骨、异体骨等天然骨替代物进行骨移植无法满足个性化修复的需求。因此,迫切需要针对不同的修复需求,对骨科植入体进行个性化定制。激光选区熔化技术(Selective Laser Melting,SLM)作为增材制造技术(Additive Manufacturing,AM)中最有发展前景的方向,具有成形精度高、致密度高的特点,能成形具有复杂结构的工件。Ti6Al4V(ELI)合金比强度高、耐腐蚀性和生物相容性好、弹性模量低等特点,被广泛应用于骨科植入体上。而在植入体内引入多孔结构,则可以解决传统致密植入体与人体骨骼力学性能不匹配的问题。本文针对人体骨骼个性化修复的需求,在SLM技术的基础上,研究了从单熔道到块体的工艺参数优化;进行了不同的多孔结构设计;成形了与设计孔隙率、孔径一致的不同结构多孔Ti6Al4V(ELI)合金,并研究了孔隙率/相对密度、支杆直径对多孔Ti6Al4V(ELI)合金力学性能的影响规律,比较了两种结构对压缩载荷的不同响应;最后研究了不同热处理制度对多孔钛合金压缩变形行为和力学性能的影响。主要研究内容和成果如下:(1)优化了SLM成形Ti6Al4V(ELI)合金的工艺参数。以单熔道实验为基础,建立了能量密度与熔道宽度的关系,并选取了表面光滑、连续稳定的熔道进行块体工艺参数优化。通过调整激光扫描间距,成形出不同致密度的块体Ti6Al4V(ELI)合金,并进行致密度、表面粗糙度、拉伸性能和耐腐蚀性能分析。结果发现,随着能量密度的升高,熔池逐渐变宽。随着扫描间距的增加,块体致密度、抗拉强度和侧表面粗糙度先稳定后逐渐降低;上表面粗糙度持续升高、电化学腐蚀电位不断降低、腐蚀电流密度持续升高。(2)研究了SLM成形多孔Ti6Al4V(ELI)合金力学性能影响因素。首先根据生物力学性能要求,建立了正八面体和菱形十二面体两种多孔结构,并进行精确成形;对成形的多孔Ti6Al4V(ELI)合金进行孔隙率、支杆直径、压缩性能和动态弹性模量表征。结果发现,SLM技术能精确成形出设计的高孔隙率多孔Ti6Al4V(ELI)合金,实际孔隙率与设计孔隙率的误差在±0.3%以内,实际支杆直径与设计支杆直径误差在50μm左右;正八面体多孔Ti6Al4V(ELI)合金的压缩应变响应符合多孔材料特点,其压缩应力-应变曲线表现为明显的线弹性、应力平台和致密化三个阶段;多孔Ti6Al4V(ELI)合金的抗压强度随相对密度升高而增加,并与相对密度成指数关系;多孔Ti6Al4V(ELI)合金对能量的吸收也随相对密度增加而提升;相比菱形十二面体,正八面体结构的多孔Ti6Al4V(ELI)合金具有较高的抗压强度和更平稳的应变行为,更适合用于制备植入体;多孔Ti6Al4V(ELI)合金的动态弹性模量也随着相对密度增加而升高,其关系符合Gibson-Ashby模型。(3)研究了热处理对SLM成形的正八面体多孔Ti6Al4V(ELI)合金性能的影响。为提升多孔Ti6Al4V(ELI)合金力学性能,在钛合金β相变温度附近对其进行热处理。结果发现,热处理后的多孔Ti6Al4V(ELI)合金压缩应力-应变曲线更为平滑,更有利于植入体对能量的吸收;热处理前后Ti6Al4V(ELI)合金的相组成没有发生明显变化,但是随着热处理温度升高,Ti6Al4V(ELI)合金组织逐渐长大;不同热处理对多孔Ti6Al4V(ELI)合金的动态弹性模量无明显影响;热处理过程有足够的时间供合金元素进行扩散,热处理后的Ti6Al4V(ELI)合金出现了明显的元素偏析现象。
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