激光快速成形Ti-Fe-Sn-Y生物醫(yī)用合金的組織與性能.pdf

1、激光快速成形是在給定三維立體模型基礎(chǔ)上，利用激光熔化沉積直接制造出高性能復(fù)雜結(jié)構(gòu)零件的先進(jìn)制造技術(shù)。利用該技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)醫(yī)用種植體的個性化設(shè)計與制造，具有高柔性、短周期、低成本等諸多優(yōu)點(diǎn)，可預(yù)見其在現(xiàn)代生物醫(yī)學(xué)材料制造領(lǐng)域的巨大潛力。目前，國內(nèi)外用于激光快速成形的生物醫(yī)用材料以傳統(tǒng)合金材料為主，而研究表明，這些材料尚不能滿足臨床和激光快速成形工藝的實(shí)際要求。因此，研發(fā)適用于激光快速成形的生物醫(yī)用材料是這項(xiàng)技術(shù)在現(xiàn)代生物醫(yī)學(xué)工程領(lǐng)域應(yīng)用和發(fā)

2、展的關(guān)鍵。
　　本文基于“團(tuán)簇+連接原子”結(jié)構(gòu)模型，以Ti-Fe二元共晶合金的團(tuán)簇式為基元，以低彈性模量、無生物毒性的Sn和Y為合金化組元，設(shè)計了新型的生物醫(yī)用Ti-Fe-Sn-Y四元合金，并利用激光快速成形技術(shù)在純鈦基板上沉積Ti-Fe-Sn-Y合金成形體。利用X射線衍射儀(XRD)、掃描電子顯微鏡(SEM)分析了Ti-Fe-Sn-Y合金成形體和Ti70.58Fe29.42二元合金成形體的相組成及微觀組織;利用3D表面輪廓儀、密

3、度計、顯微硬度計、納米壓痕儀、摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)和電化學(xué)工作站，系統(tǒng)研究了合金化組元含量對合金成形體微觀組織、表面粗糙度、密度、硬度、彈性模量和耐蝕性能的影響規(guī)律，并與Ti70.58Fe29.42二元合金成形體進(jìn)行了對比分析。
　　實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:合金元素Y具有良好的凈化液相作用，可以有效抑制氧化物Ti4Fe2O的形成;Ti-Fe-Sn-Y合金成形體主要由β-Ti固溶體及TiFe金屬間化合物組成，且當(dāng)Sn添加量超過4.40 at.％時，

4、合金中開始有Ti3Sn相析出。在激光快速成形非平衡凝固過程中，由于不對稱偽共晶區(qū)偏向高熔點(diǎn)β-Ti一側(cè)，隨著Sn添加量的增加，Ti-Fe-Sn-Y合金成形體由過共晶組織向亞共晶組織轉(zhuǎn)變，其中Sn添加量為4.40 at.％時，成分非常接近共晶點(diǎn)，形成了近共晶組織。隨著Sn添加量的增加，Ti-Fe-Sn-Y合金成形體的表面粗糙度先降后增，在Sn添加量為4.40 at.％時達(dá)到最低，且優(yōu)于Ti70.58Fe29.42二元共晶合金;而合金成形體

5、的密度逐漸增加、硬度逐漸降低，彈性模量則先降后增，且在Sn添加量為5.86 at.％時達(dá)到最低值，較Ti70.58Fe29.42合金成形體降低35％。摩擦磨損實(shí)驗(yàn)研究表明，合金成形體的主要磨損機(jī)制為粘著磨損和磨粒磨損，且隨著Sn添加量的增加，Ti-Fe-Sn-Y合金成形體的摩擦系數(shù)先降后增，在Sn添加量為5.86 at.％時達(dá)到最低，合金成形體減摩性最優(yōu);而磨損體積逐漸減低，合金成形體耐磨性逐漸增高。電化學(xué)實(shí)驗(yàn)研究表明，隨著Sn添加量的