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《特种加工技术智能化与精密化——第17届全国特种加工学术会议论文集(摘要)》2017年
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激光选区熔化成形纯钛/纳米羟基磷灰石复合材料研究

韩昌骏  王倩  李岩  魏青松  史玉升  
【摘要】:金属骨植入体面临与骨组织结合性不强、骨整合能力差等问题,同时复杂的内部孔隙结构和个性化外形也为其制造提出了挑战。钛及其合金已被广泛应用于生物骨植入体,然而作为惰性金属,它与人骨组织的结合仅为机械嵌合,易发生脱落,极大地限制了纯钛植入体的临床应用。羟基磷灰石是一种生物陶瓷,具有优异的生物相容性和生物活性,且其化学成分与人骨相似,能和骨组织形成牢固的骨性结合,被广泛应用于人工骨替代物。因此,在纯钛植入体中添加羟基磷灰石,可有效结合纯钛的机械性能和羟基磷灰石的骨整合能力,通过成分调控满足人骨植入体的要求。采用激光选区熔化技术制备纯钛/羟基磷灰石复合材料,不仅能制造具有个性化外形的复杂结构,同时羟基磷灰石的添加能改善与骨组织的结合和骨整合能力。本文以商业1级纯钛和纳米羟基磷灰石为实验对象,优化球磨工艺得到纯钛/羟基磷灰石复合粉末,着重研究并优化其SLM工艺参数,并对成形件的致密度、微观组织、粗糙度、硬度进行研究。将纳米羟基磷灰石加入纯钛粉末中,使羟基磷灰石质量百分比为2%。使用三因素三水平正交实验将两种粉末进行球磨工艺研究,优化后的球磨工艺参数为球料比10:1,转速150转/分钟,时间7小时。设置不同激光功率和扫描速度组合进行单道扫描实验,通过光学显微镜观测,发现扫描速度在800-1200mm/s时,随着激光功率增大,熔池宽度变化平稳,形貌连续且均匀。通过单层面扫描研究激光功率对熔池宽度和搭接率的影响,当扫描速度保持不变时,熔池宽度和搭接率随激光功率增加而增加。当激光功率较低时(160W),较小的粉末颗粒熔化但大颗粒未熔;而激光功率在200-280W之间时,粉末颗粒全部熔化,液态金属凝固形成连续熔化道。然而,当激光功率过高时(320W),导致过烧现象产生,同时伴随着裂纹和高残余应力。SLM成形纯钛/羟基磷灰石试样的致密度高于95%,在相同条件下,优于纯钛的致密度。在激光功率为240W时,复合材料致密度最高,达到97%。纯钛显示板条状晶粒,为典型α相,而纯钛/羟基磷灰石呈现更细小的不规则的晶粒。纯钛/羟基磷灰石的表面粗糙度比纯钛高约53%,纳米硬度比纯钛高约20%。羟基磷灰石的添加细化了晶粒,同时增大了表面粗糙度,提高了表面硬度。

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