生物医用钛合金增材制造成形工艺及性能研究
发布时间：2021-10-23 21:39
Ti6Al4V合金以其良好的生物相容性、综合力学性能和耐腐蚀性能等优势,在医学临床应用中得到了广泛应用。但Ti6Al4V合金自身不具有抗菌生物功能,所以在医用金属中添加适量的具有抗菌功能的Cu元素,得到具有良好的生物相容性、力学性能以及耐腐蚀性能等综合性能的抗菌钛合金,具有广阔的临床应用前景。传统的钛合金加工工艺流程较为复杂且个性化加工困难,选区激光熔化技术为口腔用钛合金的加工提供了新的思路,同时也为个性化医疗提供了契机。本课题采用选区激光熔化技术制备Ti6Al4V-5Cu合金样品,并对激光工艺参数进行优化。利用高精度分析天平、光学显微镜、X射线衍射仪、扫描电子显微镜、电子背散射衍射仪、显微硬度计、多功能材料表面性能试验仪和电化学工作站等设备分别对选区激光熔化Ti6Al4V-5Cu合金的致密度、相组成、显微组织、平均晶粒尺寸、显微硬度、摩擦磨损性能以及腐蚀性能进行了系统的测试和分析。实验结果表明:利用选区激光熔化技术成功制备出选区激光熔化Ti6Al4V-5Cu合金样品。最佳工艺参数是扫描速度1500mm/s,激光功率260W,光斑直径70μm,扫描间距45μm,铺粉厚度30μm,扫描方...
【文章来源】：沈阳工业大学辽宁省
【文章页数】：61 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
钛合金臼假体及股骨假体Fig.1.1Jointprosthesisandthighboneprosthesisbytitaniumalloy
第1章绪论3选择地熔化金属粉末。然后在处理的层上安装水平刮板，继而铺下另一层金属粉末，根据下一层的数字和模拟数据信息有选择地调整高能激光束，从而往复循环可以完成，直到制造出整个零件。选区激光熔化技术具有如下特点：（1）通过选区激光熔化技术生产的零件的相对密度接近100%，甚至是具有冶金结合的完整实体[16]。选区激光熔化技术可以大功率熔化金属粉末，使成形零件的组织结构均匀细小，降低了应力集中。与传统制备技术相比，提高了金属零件的性能，可以直接生产终端金属产品，缩短成形周期；（2）由于选区激光熔化沉积系统使用高功率密度激光并以极小板直径激光束熔化金属粉末，加工后的金属零件尺寸精度高（高达0.1mm）且表面粗糙度低（Ra30-50μm）[17]。由激光板直径小，熔点高的金属可以被低功率激光束熔化，金属零件可采用单组分金属粉末制备，而且金属粉末类型可扩延；（3）从材料性能来看，采用选区激光熔化沉积技术制造的结构件具有细小均匀的快速凝固结构，提高了成型件的硬度、耐热性和耐腐蚀性，具有优异的综合性能。选区激光熔化技术可以熔化金属粉末，而不是“材料还原制造”，可以生产高尺寸精度和低表面粗糙度的零件。成形零件可以通过喷砂或电解抛光直接使用。由于材料及切削加工的节省，制造成本可降低20%-40%，生产周期可缩短80%[18]。综上所述，选区激光熔化技术以“增材制造”打破了传统的“减材制造”加工思路，相比于传统制备工艺，选区激光熔化技术有效解决了传统制备工艺所处理不到的图1.2选区激光熔化成形原理图Fig.1.2Schematicdiagramofselectivelasermelting
9第2章试验材料及研究方法2.1试验材料2.1.1基体材料为了保证金属粉末能与基板形成良好的冶金结合，实验应选择与金属粉末成分相近的材料作为基板。因此，本实验选择纯钛作为选区激光熔化实验的基板。基板尺寸为140mm×140mm×17mm。在实验前应使用砂纸对基板表面进行打磨，去除氧化皮。使用酒精去除基板表面的油污。将基板放入DZF-6050型真空干燥箱中待用。在进行实验前应对纯钛基板进行预热。2.1.2选区激光熔化材料实验采用的金属粉末为Ti6Al4V-5Cu合金粉末，生产商为中航迈特粉冶科技有限公司。粉末粒度为15-45μm。在进行选区激光熔化实验前应将金属粉末放入80℃真空干燥箱中干燥12h。本实验为了研究Ti6Al4V-5Cu合金粉末的形貌特点，采用扫描电子显微镜对实验粉末进行了观察。Ti6Al4V-5Cu合金粉末形貌图如图2.1所示。2.2选区激光熔化Ti6Al4V-5Cu合金的制备本实验使用的激光设备为ProXDMP200型选区激光熔化设备，发射的激光波长为1070nm，设备采用逐层铺粉的方式在纯钛基板上进行选区激光熔化实验，选区激光熔化试验设备如图2.2所示。采用蛇形和正交两种扫描策略，扫描策略原理图如图2.3所示。本文设计了九种激光工艺参数，如表2.1所示。为了防止Ti6Al4V-5Cu合金粉末被氧化，实验仓采用氩气保护，控制腔体内氧含量低于100ppm。图2.1Ti6Al4V-5Cu合金粉末SEM形貌Fig.2.1SEMmorphologyofTi6Al4V-5Cualloypowders沈阳工业大学硕士学位论文
【参考文献】：
期刊论文
[1]2Cr13不锈钢的硼碳共渗及其摩擦学性能[J]. 黄朝军,梁文萍,缪强,李阳,易锦伟,丁铮. 热处理. 2019(06)
[2]3D打印医用钛合金的抗菌性能和体外生物相容性[J]. 李改明,刘思雨,战德松,刘蕊,任玲,杨柯,王敬人,王强. 材料研究学报. 2019(02)
[3]Fatigue behavior of Ti-6Al-4V cellular structures fabricated by additive manufacturing technique[J]. Dechun Ren,Shujun Li,Hao Wang,Wentao Hou,Yulin Hao,Wei Jin,Rui Yang,R.Devesh K.Misra,Lawrence E.Murr. Journal of Materials Science & Technology. 2019(02)
[4]Microbiologically influenced corrosion of titanium caused by aerobic marine bacterium Pseudomonas aeruginosa[J]. M.Saleem Khan,Zhong Li,Ke Yang,Dake Xu,Chunguang Yang,Dan Liu,Yassir Lekbach,Enze Zhou,Phuri Kalnaowakul. Journal of Materials Science & Technology. 2019(01)
[5]轻合金构件激光增材制造研究现状及其发展[J]. 王霄,王东生,高雪松,沈理达,顾冬冬,田宗军. 应用激光. 2016(04)
[6]激光选区熔化成形技术的发展现状及研究进展[J]. 赵志国,柏林,李黎,黄建云. 航空制造技术. 2014(19)
[7]生物医用钛合金的研究进展[J]. 张文毓. 化学与黏合. 2014(05)
[8]静态尿道压力图对良性前列腺增生所致膀胱出口梗阻的诊断价值[J]. 杨星亮,赵江,冯观贵,于伟,李龙坤. 第三军医大学学报. 2014(08)
[9]新型生物医用钛合金组织与性能研究进展[J]. 麻西群,于振涛,牛金龙,余森,张亚峰,皇甫强. 生物医学工程与临床. 2013(06)
[10]金属零件选区激光熔化快速成型技术的现状及发展趋势[J]. 吴峥强. 热加工工艺. 2008(13)
博士论文
[1]面向植入体的多孔结构建模及激光选区熔化直接制造研究[D]. 肖冬明.华南理工大学 2013
[2]计算机导航辅助髋臼肿瘤切除与个体化定制假体重建的临床应用研究[D]. 张涌泉.第四军医大学 2013
硕士论文
[1]选区激光熔化成形Ti基纳米复合材料的工艺、组织及性能[D]. 孟广斌.南京航空航天大学 2012
[2]个性化精密金属零件选区激光熔化直接成型设计优化及工艺研究[D]. 卢建斌.华南理工大学 2011
[3]金属粉末选区激光熔化实验研究[D]. 孙大庆.北京工业大学 2007
[4]Ni-Ti形状记忆合金表面改性及其在生物医学材料方面的应用[D]. 王强.沈阳工业大学 2006
本文编号：3453960
【文章来源】：沈阳工业大学辽宁省
【文章页数】：61 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
钛合金臼假体及股骨假体Fig.1.1Jointprosthesisandthighboneprosthesisbytitaniumalloy
第1章绪论3选择地熔化金属粉末。然后在处理的层上安装水平刮板，继而铺下另一层金属粉末，根据下一层的数字和模拟数据信息有选择地调整高能激光束，从而往复循环可以完成，直到制造出整个零件。选区激光熔化技术具有如下特点：（1）通过选区激光熔化技术生产的零件的相对密度接近100%，甚至是具有冶金结合的完整实体[16]。选区激光熔化技术可以大功率熔化金属粉末，使成形零件的组织结构均匀细小，降低了应力集中。与传统制备技术相比，提高了金属零件的性能，可以直接生产终端金属产品，缩短成形周期；（2）由于选区激光熔化沉积系统使用高功率密度激光并以极小板直径激光束熔化金属粉末，加工后的金属零件尺寸精度高（高达0.1mm）且表面粗糙度低（Ra30-50μm）[17]。由激光板直径小，熔点高的金属可以被低功率激光束熔化，金属零件可采用单组分金属粉末制备，而且金属粉末类型可扩延；（3）从材料性能来看，采用选区激光熔化沉积技术制造的结构件具有细小均匀的快速凝固结构，提高了成型件的硬度、耐热性和耐腐蚀性，具有优异的综合性能。选区激光熔化技术可以熔化金属粉末，而不是“材料还原制造”，可以生产高尺寸精度和低表面粗糙度的零件。成形零件可以通过喷砂或电解抛光直接使用。由于材料及切削加工的节省，制造成本可降低20%-40%，生产周期可缩短80%[18]。综上所述，选区激光熔化技术以“增材制造”打破了传统的“减材制造”加工思路，相比于传统制备工艺，选区激光熔化技术有效解决了传统制备工艺所处理不到的图1.2选区激光熔化成形原理图Fig.1.2Schematicdiagramofselectivelasermelting
9第2章试验材料及研究方法2.1试验材料2.1.1基体材料为了保证金属粉末能与基板形成良好的冶金结合，实验应选择与金属粉末成分相近的材料作为基板。因此，本实验选择纯钛作为选区激光熔化实验的基板。基板尺寸为140mm×140mm×17mm。在实验前应使用砂纸对基板表面进行打磨，去除氧化皮。使用酒精去除基板表面的油污。将基板放入DZF-6050型真空干燥箱中待用。在进行实验前应对纯钛基板进行预热。2.1.2选区激光熔化材料实验采用的金属粉末为Ti6Al4V-5Cu合金粉末，生产商为中航迈特粉冶科技有限公司。粉末粒度为15-45μm。在进行选区激光熔化实验前应将金属粉末放入80℃真空干燥箱中干燥12h。本实验为了研究Ti6Al4V-5Cu合金粉末的形貌特点，采用扫描电子显微镜对实验粉末进行了观察。Ti6Al4V-5Cu合金粉末形貌图如图2.1所示。2.2选区激光熔化Ti6Al4V-5Cu合金的制备本实验使用的激光设备为ProXDMP200型选区激光熔化设备，发射的激光波长为1070nm，设备采用逐层铺粉的方式在纯钛基板上进行选区激光熔化实验，选区激光熔化试验设备如图2.2所示。采用蛇形和正交两种扫描策略，扫描策略原理图如图2.3所示。本文设计了九种激光工艺参数，如表2.1所示。为了防止Ti6Al4V-5Cu合金粉末被氧化，实验仓采用氩气保护，控制腔体内氧含量低于100ppm。图2.1Ti6Al4V-5Cu合金粉末SEM形貌Fig.2.1SEMmorphologyofTi6Al4V-5Cualloypowders沈阳工业大学硕士学位论文
【参考文献】：
期刊论文
[1]2Cr13不锈钢的硼碳共渗及其摩擦学性能[J]. 黄朝军,梁文萍,缪强,李阳,易锦伟,丁铮. 热处理. 2019(06)
[2]3D打印医用钛合金的抗菌性能和体外生物相容性[J]. 李改明,刘思雨,战德松,刘蕊,任玲,杨柯,王敬人,王强. 材料研究学报. 2019(02)
[3]Fatigue behavior of Ti-6Al-4V cellular structures fabricated by additive manufacturing technique[J]. Dechun Ren,Shujun Li,Hao Wang,Wentao Hou,Yulin Hao,Wei Jin,Rui Yang,R.Devesh K.Misra,Lawrence E.Murr. Journal of Materials Science & Technology. 2019(02)
[4]Microbiologically influenced corrosion of titanium caused by aerobic marine bacterium Pseudomonas aeruginosa[J]. M.Saleem Khan,Zhong Li,Ke Yang,Dake Xu,Chunguang Yang,Dan Liu,Yassir Lekbach,Enze Zhou,Phuri Kalnaowakul. Journal of Materials Science & Technology. 2019(01)
[5]轻合金构件激光增材制造研究现状及其发展[J]. 王霄,王东生,高雪松,沈理达,顾冬冬,田宗军. 应用激光. 2016(04)
[6]激光选区熔化成形技术的发展现状及研究进展[J]. 赵志国,柏林,李黎,黄建云. 航空制造技术. 2014(19)
[7]生物医用钛合金的研究进展[J]. 张文毓. 化学与黏合. 2014(05)
[8]静态尿道压力图对良性前列腺增生所致膀胱出口梗阻的诊断价值[J]. 杨星亮,赵江,冯观贵,于伟,李龙坤. 第三军医大学学报. 2014(08)
[9]新型生物医用钛合金组织与性能研究进展[J]. 麻西群,于振涛,牛金龙,余森,张亚峰,皇甫强. 生物医学工程与临床. 2013(06)
[10]金属零件选区激光熔化快速成型技术的现状及发展趋势[J]. 吴峥强. 热加工工艺. 2008(13)
博士论文
[1]面向植入体的多孔结构建模及激光选区熔化直接制造研究[D]. 肖冬明.华南理工大学 2013
[2]计算机导航辅助髋臼肿瘤切除与个体化定制假体重建的临床应用研究[D]. 张涌泉.第四军医大学 2013
硕士论文
[1]选区激光熔化成形Ti基纳米复合材料的工艺、组织及性能[D]. 孟广斌.南京航空航天大学 2012
[2]个性化精密金属零件选区激光熔化直接成型设计优化及工艺研究[D]. 卢建斌.华南理工大学 2011
[3]金属粉末选区激光熔化实验研究[D]. 孙大庆.北京工业大学 2007
[4]Ni-Ti形状记忆合金表面改性及其在生物医学材料方面的应用[D]. 王强.沈阳工业大学 2006
本文编号：3453960
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