激光選區(qū)熔化原位制備醫(yī)用鈦鈮合金的工藝、組織及性能
發(fā)布時間：2022-01-12 01:32
激光選區(qū)熔化（Selective Laser Melting,SLM）是最主要的增材制造技術之一。SLM技術利用高能激光束逐層熔化微細金屬粉末,可直接制造近致密的復雜金屬零件,特別適合具有個性化外形和內部微孔結構人體骨骼植入體的制造。鈦鈮合金（Titanium-niobium,Ti-Nb）是一種近β型鈦合金,具有比強度高、模量低、耐腐蝕性好和生物相容性優(yōu)異等優(yōu)點,是理想的人體骨骼植入體替代材料。本文以純Ti和純Nb粉末為原始材料,采用機械球磨法制備多種組分的混合粉末,并利用SLM技術制備了不同配比的Ti-x Nb合金（x=0,15,25,45 at.%）。系統(tǒng)研究了Nb含量對成形試樣相組成、微觀組織、力學性能、體外磷灰石形成能力及耐腐蝕性能的影響,主要結論如下:（1）優(yōu)化了Ti-15Nb合金SLM成形工藝參數(shù)。優(yōu)化后的工藝參數(shù)如下:激光功率330 W,掃描速度1000 m/s,鋪粉層厚0.03 mm,掃描間距0.10 mm。Ti-15Nb合金的顯微組織由針狀α’馬氏體和β晶粒組成,并含有少量微裂紋、微孔及未熔化Nb顆粒。在優(yōu)化激光能量密度（110 J/mm3）下可獲得較高致密度（97....
【文章來源】：華中科技大學湖北省 211工程院校 985工程院校 教育部直屬院校
【文章頁數(shù)】：70 頁
【學位級別】：碩士
【部分圖文】：
常用的生物金屬材料的楊氏模量值
1.2.2 鈦鈮合金Ti-Nb 合金的彈性模量較低且沒有毒性，是很有發(fā)展前景的骨骼植入體材料，近年來得到廣泛的關注。如圖 1-2（a）所示，在平衡條件下，Ti-Nb 合金中僅存在兩個穩(wěn)定相： 相及 β 相。一般來說，β 相為高溫相。在 CP-Ti 中，β 相轉變溫度為 882 ℃。當Nb 含量低于 3 at.% 時，室溫下為穩(wěn)定的 相。隨著 Nb 含量的增加，β 相轉變溫度逐漸降低，室溫穩(wěn)定相變成了 + β 相。此外，混合相中 β 相的含量隨 Nb 含量的增加而增加，最終室溫穩(wěn)定相變?yōu)?β 相。如圖 1-2（b）所示，在非平衡狀態(tài)下，除 和 β 相，Ti-Nb 合金中還可能出現(xiàn)幾個亞穩(wěn)相（ ′， ″ 和 ω），它們的存在由合金成分和冷卻速度綜合作用決定。當合金中 Nb 含量小于 14.3 at. %，淬火后 β 相轉變?yōu)轳R氏體（ ′ 和″）；當合金中 Nb 含量在 14.3 - 25.5 at. %之間，若緩慢冷卻到室溫（20 ℃），則合金中包含 ω 相，而若急冷，則包含馬氏體相；當合金中的 Nb 含量在 25.5 - 42.2 at. %之間，淬火后合金中可能含有 ω 相沉淀；當 Nb 含量超過 42.2 at. %時，室溫下為單 β 相[18, 19]。
圖 1-3 SLM 技術基本原理示意圖[25]Fig. 1-3 Basic principle schematic of SLM technology1.3.2 技術特點SLM 技術是當今世界最先進、發(fā)展最快的金屬增材制造技術之一，有別于傳統(tǒng)制造金屬零件去除材料的加工思路，該技術基于增材制造的理念，按照三維模型直接成形零件，避免了傳統(tǒng)制造技術的許多限制，具有其獨特的優(yōu)勢：（1）成形材料廣泛由于激光束聚焦性好，其熱量集中于一點，可以產生很高的溫度，能夠熔化鎳基高溫合金等熔點高的金屬粉末，大大擴展了可成形金屬的種類[1]。目前，SLM 技術可成形材料包括不銹鋼、模具鋼、Ni 基合金、Ti 基合金、Co-Cr 合金、Al 合金和貴金屬等金屬材料以及陶瓷、尼龍和聚酯乙烯等非金屬材料。（2）復雜零件制造周期短傳統(tǒng)復雜金屬零件的制造工藝復雜且制造周期長，而 SLM 技術是利用激光束直接
【參考文獻】：
期刊論文
[1]處在變革中的醫(yī)用金屬材料[J]. 鄭玉峰,吳遠浩. 金屬學報. 2017(03)
[2]激光選區(qū)熔化成形技術的發(fā)展現(xiàn)狀及研究進展[J]. 趙志國,柏林,李黎,黃建云. 航空制造技術. 2014(19)
[3]生物醫(yī)用鈦合金材料的生物及力學相容性[J]. 于振濤,韓建業(yè),麻西群,余森,張明華,張于勝. 中國組織工程研究. 2013(25)
[4]選擇性激光熔化快速成形技術與裝備[J]. 史玉升,魯中良,章文獻,黃樹槐,陳國清. 中國表面工程. 2006(S1)
博士論文
[1]激光選區(qū)熔化成形模具鋼材料的組織與性能演變基礎研究[D]. 趙曉.華中科技大學 2016
[2]醫(yī)用合金粉末激光選區(qū)熔化成形工藝與性能研究[D]. 張升.華中科技大學 2014
碩士論文
[1]激光選區(qū)熔化Ni 625合金工藝基礎研究[D]. 張潔.華中科技大學 2015
[2]Co-Cr合金修復體選擇性激光熔化工藝及力學性能研究[D]. 徐恬.華中科技大學 2013
[3]含硅羥基磷灰石的制備和體外生物活性研究[D]. 劉克軍.揚州大學 2013
[4]選區(qū)激光熔化成形Ti基納米復合材料的工藝、組織及性能[D]. 孟廣斌.南京航空航天大學 2012
本文編號：3583838
【文章來源】：華中科技大學湖北省 211工程院校 985工程院校 教育部直屬院校
【文章頁數(shù)】：70 頁
【學位級別】：碩士
【部分圖文】：
常用的生物金屬材料的楊氏模量值
1.2.2 鈦鈮合金Ti-Nb 合金的彈性模量較低且沒有毒性，是很有發(fā)展前景的骨骼植入體材料，近年來得到廣泛的關注。如圖 1-2（a）所示，在平衡條件下，Ti-Nb 合金中僅存在兩個穩(wěn)定相： 相及 β 相。一般來說，β 相為高溫相。在 CP-Ti 中，β 相轉變溫度為 882 ℃。當Nb 含量低于 3 at.% 時，室溫下為穩(wěn)定的 相。隨著 Nb 含量的增加，β 相轉變溫度逐漸降低，室溫穩(wěn)定相變成了 + β 相。此外，混合相中 β 相的含量隨 Nb 含量的增加而增加，最終室溫穩(wěn)定相變?yōu)?β 相。如圖 1-2（b）所示，在非平衡狀態(tài)下，除 和 β 相，Ti-Nb 合金中還可能出現(xiàn)幾個亞穩(wěn)相（ ′， ″ 和 ω），它們的存在由合金成分和冷卻速度綜合作用決定。當合金中 Nb 含量小于 14.3 at. %，淬火后 β 相轉變?yōu)轳R氏體（ ′ 和″）；當合金中 Nb 含量在 14.3 - 25.5 at. %之間，若緩慢冷卻到室溫（20 ℃），則合金中包含 ω 相，而若急冷，則包含馬氏體相；當合金中的 Nb 含量在 25.5 - 42.2 at. %之間，淬火后合金中可能含有 ω 相沉淀；當 Nb 含量超過 42.2 at. %時，室溫下為單 β 相[18, 19]。
圖 1-3 SLM 技術基本原理示意圖[25]Fig. 1-3 Basic principle schematic of SLM technology1.3.2 技術特點SLM 技術是當今世界最先進、發(fā)展最快的金屬增材制造技術之一，有別于傳統(tǒng)制造金屬零件去除材料的加工思路，該技術基于增材制造的理念，按照三維模型直接成形零件，避免了傳統(tǒng)制造技術的許多限制，具有其獨特的優(yōu)勢：（1）成形材料廣泛由于激光束聚焦性好，其熱量集中于一點，可以產生很高的溫度，能夠熔化鎳基高溫合金等熔點高的金屬粉末，大大擴展了可成形金屬的種類[1]。目前，SLM 技術可成形材料包括不銹鋼、模具鋼、Ni 基合金、Ti 基合金、Co-Cr 合金、Al 合金和貴金屬等金屬材料以及陶瓷、尼龍和聚酯乙烯等非金屬材料。（2）復雜零件制造周期短傳統(tǒng)復雜金屬零件的制造工藝復雜且制造周期長，而 SLM 技術是利用激光束直接
【參考文獻】：
期刊論文
[1]處在變革中的醫(yī)用金屬材料[J]. 鄭玉峰,吳遠浩. 金屬學報. 2017(03)
[2]激光選區(qū)熔化成形技術的發(fā)展現(xiàn)狀及研究進展[J]. 趙志國,柏林,李黎,黃建云. 航空制造技術. 2014(19)
[3]生物醫(yī)用鈦合金材料的生物及力學相容性[J]. 于振濤,韓建業(yè),麻西群,余森,張明華,張于勝. 中國組織工程研究. 2013(25)
[4]選擇性激光熔化快速成形技術與裝備[J]. 史玉升,魯中良,章文獻,黃樹槐,陳國清. 中國表面工程. 2006(S1)
博士論文
[1]激光選區(qū)熔化成形模具鋼材料的組織與性能演變基礎研究[D]. 趙曉.華中科技大學 2016
[2]醫(yī)用合金粉末激光選區(qū)熔化成形工藝與性能研究[D]. 張升.華中科技大學 2014
碩士論文
[1]激光選區(qū)熔化Ni 625合金工藝基礎研究[D]. 張潔.華中科技大學 2015
[2]Co-Cr合金修復體選擇性激光熔化工藝及力學性能研究[D]. 徐恬.華中科技大學 2013
[3]含硅羥基磷灰石的制備和體外生物活性研究[D]. 劉克軍.揚州大學 2013
[4]選區(qū)激光熔化成形Ti基納米復合材料的工藝、組織及性能[D]. 孟廣斌.南京航空航天大學 2012
本文編號：3583838
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