TC4激光选区熔化成形工艺与性能研究

发布时间：2020-04-13 23:24

【摘要】：随着激光选区熔化技术(SLM)的不断发展以及生物植入材料需求的不断增加,SLM技术在医疗植入领域的应用引起了国内外研究人员的广泛关注。SLM技术最大优点在于能够直接成形任意形状、结构的零件,在成形医疗植入物领域表现出了极大的优势。TC4(Ti6Al4V)凭借低密度,高比强度,优异的耐腐蚀性和生物相容性,已经成为生物植入材料的最佳选择。但因为TC4合金熔点高(1678℃),硬度大,传统的加工技术已不能满足TC4合金的加工要求,而SLM技术是通过高能激光束直接熔化金属粉末,激光束聚焦温度可达2000℃以上,非常适用于生物植入材料TC4的加工成形,并且其在成形人造骨骼、关节等形状差异很大的医疗植入体方面可以充分发挥SLM技术优势。因此,采用SLM技术成形医疗植入体是一条行之有效且应用前景广阔的途径。利用SLM技术成形TC4医疗植入体需具备以下性能要求。首先,在人体使用环境中要求医疗植入体本身有一定的强度和韧性;其次,植入体一般还需要具备一定的耐磨性及耐腐蚀性。基于上述使用特点,主要完成了以下工作:(1)研究激光功率和扫描速度对成形试样致密度、微观组织缺陷和力学性能的影响,并根据微观组织、拉伸断口形貌确定SLM成形TC4最佳工艺参数。实验表明,在激光功率为300W,扫描速度为1.5m/s参数附近,制备的TC4零件的抗拉强度、塑性以及断裂韧性表现最佳,拉伸强度达到1227.13MPa,延伸率达到8.2%,断口形貌表现为韧性及准解理断裂混合特征。(2)为减少SLM成形TC4过程中高温度梯度引起的结构内部缺陷,采用普通退火、重结晶退火和固溶时效三种热处理工艺对成形试样进行热处理工艺实验,结果表明,采用800℃重结晶退火工艺对SLM成形件性能改善效果最好,抗拉强度达到862.96MPa,延伸率大于10%,与铸态TC4的性能水平相当。(3)对铸态TC4和SLM成形TC4试样进行摩擦磨损对比实验,利用SEM扫描电镜观察二者磨损形貌,分析SLM工艺对TC4材料耐磨性影响。结果表明,铸态TC4抗磨损性能不如沉积态试样,两种试样磨损机理均为磨粒磨损和粘着磨损共存的磨损方式,不同之处在于沉积态TC4硬度更高,磨损过程更稳定。(4)开展SLM成形TC4试样在Hank’s人体仿生液中的电化学腐蚀实验,研究不同热处理工艺对SLM成形TC4耐腐蚀性能影响。结果表明,沉积态TC4耐腐蚀性能不如铸态TC4,铸态TC4的腐蚀速度慢,并且钝化范围较大,抗腐蚀性能更好。并且退火处理可以提高SLM成形TC4试件的抗腐蚀性能,原因是热处理促进了SLM成形试样中锐钛矿向金红石相转变,而金红石六方晶系结构更稳定,化学抗性更强。
【图文】：

示意图,激光选区烧结,示意图

SLS 技术已经发展的相当成熟，不论是在材料方面还是加工设备方面，其加工原理如图1-1 所示[2]。SLS 是利用红外激光束作为热源，在计算机控制下根据分层截面信息逐层烧结所要成形零件的截面轮廓，层层叠加，最终形成实体零件。SLS 技术优点在于成形效率高，加工效率一般在 100cm3/h 以上，，并且成形仓内不需要严格的气氛控制，设备结构相对简单，加工成本低。

示意图,激光熔化,沉积技术,成形技术

激光熔化沉积技术示意图
【学位授予单位】：北京石油化工学院
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TG665

【参考文献】