激光选区熔化原位制备医用钛铌合金的工艺、组织及性能
发布时间：2022-01-12 01:32
激光选区熔化（Selective Laser Melting,SLM）是最主要的增材制造技术之一。SLM技术利用高能激光束逐层熔化微细金属粉末,可直接制造近致密的复杂金属零件,特别适合具有个性化外形和内部微孔结构人体骨骼植入体的制造。钛铌合金（Titanium-niobium,Ti-Nb）是一种近β型钛合金,具有比强度高、模量低、耐腐蚀性好和生物相容性优异等优点,是理想的人体骨骼植入体替代材料。本文以纯Ti和纯Nb粉末为原始材料,采用机械球磨法制备多种组分的混合粉末,并利用SLM技术制备了不同配比的Ti-x Nb合金（x=0,15,25,45 at.%）。系统研究了Nb含量对成形试样相组成、微观组织、力学性能、体外磷灰石形成能力及耐腐蚀性能的影响,主要结论如下:（1）优化了Ti-15Nb合金SLM成形工艺参数。优化后的工艺参数如下:激光功率330 W,扫描速度1000 m/s,铺粉层厚0.03 mm,扫描间距0.10 mm。Ti-15Nb合金的显微组织由针状α’马氏体和β晶粒组成,并含有少量微裂纹、微孔及未熔化Nb颗粒。在优化激光能量密度（110 J/mm3）下可获得较高致密度（97....
【文章来源】：华中科技大学湖北省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：70 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
常用的生物金属材料的杨氏模量值
1.2.2 钛铌合金Ti-Nb 合金的弹性模量较低且没有毒性，是很有发展前景的骨骼植入体材料，近年来得到广泛的关注。如图 1-2（a）所示，在平衡条件下，Ti-Nb 合金中仅存在两个稳定相： 相及 β 相。一般来说，β 相为高温相。在 CP-Ti 中，β 相转变温度为 882 ℃。当Nb 含量低于 3 at.% 时，室温下为稳定的 相。随着 Nb 含量的增加，β 相转变温度逐渐降低，室温稳定相变成了 + β 相。此外，混合相中 β 相的含量随 Nb 含量的增加而增加，最终室温稳定相变为 β 相。如图 1-2（b）所示，在非平衡状态下，除 和 β 相，Ti-Nb 合金中还可能出现几个亚稳相（ ′， ″ 和 ω），它们的存在由合金成分和冷却速度综合作用决定。当合金中 Nb 含量小于 14.3 at. %，淬火后 β 相转变为马氏体（ ′ 和″）；当合金中 Nb 含量在 14.3 - 25.5 at. %之间，若缓慢冷却到室温（20 ℃），则合金中包含 ω 相，而若急冷，则包含马氏体相；当合金中的 Nb 含量在 25.5 - 42.2 at. %之间，淬火后合金中可能含有 ω 相沉淀；当 Nb 含量超过 42.2 at. %时，室温下为单 β 相[18, 19]。
图 1-3 SLM 技术基本原理示意图[25]Fig. 1-3 Basic principle schematic of SLM technology1.3.2 技术特点SLM 技术是当今世界最先进、发展最快的金属增材制造技术之一，有别于传统制造金属零件去除材料的加工思路，该技术基于增材制造的理念，按照三维模型直接成形零件，避免了传统制造技术的许多限制，具有其独特的优势：（1）成形材料广泛由于激光束聚焦性好，其热量集中于一点，可以产生很高的温度，能够熔化镍基高温合金等熔点高的金属粉末，大大扩展了可成形金属的种类[1]。目前，SLM 技术可成形材料包括不锈钢、模具钢、Ni 基合金、Ti 基合金、Co-Cr 合金、Al 合金和贵金属等金属材料以及陶瓷、尼龙和聚酯乙烯等非金属材料。（2）复杂零件制造周期短传统复杂金属零件的制造工艺复杂且制造周期长，而 SLM 技术是利用激光束直接
【参考文献】：
期刊论文
[1]处在变革中的医用金属材料[J]. 郑玉峰,吴远浩. 金属学报. 2017(03)
[2]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)
[3]生物医用钛合金材料的生物及力学相容性[J]. 于振涛,韩建业,麻西群,余森,张明华,张于胜. 中国组织工程研究. 2013(25)
[4]选择性激光熔化快速成形技术与装备[J]. 史玉升,鲁中良,章文献,黄树槐,陈国清. 中国表面工程. 2006(S1)
博士论文
[1]激光选区熔化成形模具钢材料的组织与性能演变基础研究[D]. 赵晓.华中科技大学 2016
[2]医用合金粉末激光选区熔化成形工艺与性能研究[D]. 张升.华中科技大学 2014
硕士论文
[1]激光选区熔化Ni 625合金工艺基础研究[D]. 张洁.华中科技大学 2015
[2]Co-Cr合金修复体选择性激光熔化工艺及力学性能研究[D]. 徐恬.华中科技大学 2013
[3]含硅羟基磷灰石的制备和体外生物活性研究[D]. 刘克军.扬州大学 2013
[4]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
本文编号：3583838
【文章来源】：华中科技大学湖北省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：70 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
常用的生物金属材料的杨氏模量值
1.2.2 钛铌合金Ti-Nb 合金的弹性模量较低且没有毒性，是很有发展前景的骨骼植入体材料，近年来得到广泛的关注。如图 1-2（a）所示，在平衡条件下，Ti-Nb 合金中仅存在两个稳定相： 相及 β 相。一般来说，β 相为高温相。在 CP-Ti 中，β 相转变温度为 882 ℃。当Nb 含量低于 3 at.% 时，室温下为稳定的 相。随着 Nb 含量的增加，β 相转变温度逐渐降低，室温稳定相变成了 + β 相。此外，混合相中 β 相的含量随 Nb 含量的增加而增加，最终室温稳定相变为 β 相。如图 1-2（b）所示，在非平衡状态下，除 和 β 相，Ti-Nb 合金中还可能出现几个亚稳相（ ′， ″ 和 ω），它们的存在由合金成分和冷却速度综合作用决定。当合金中 Nb 含量小于 14.3 at. %，淬火后 β 相转变为马氏体（ ′ 和″）；当合金中 Nb 含量在 14.3 - 25.5 at. %之间，若缓慢冷却到室温（20 ℃），则合金中包含 ω 相，而若急冷，则包含马氏体相；当合金中的 Nb 含量在 25.5 - 42.2 at. %之间，淬火后合金中可能含有 ω 相沉淀；当 Nb 含量超过 42.2 at. %时，室温下为单 β 相[18, 19]。
图 1-3 SLM 技术基本原理示意图[25]Fig. 1-3 Basic principle schematic of SLM technology1.3.2 技术特点SLM 技术是当今世界最先进、发展最快的金属增材制造技术之一，有别于传统制造金属零件去除材料的加工思路，该技术基于增材制造的理念，按照三维模型直接成形零件，避免了传统制造技术的许多限制，具有其独特的优势：（1）成形材料广泛由于激光束聚焦性好，其热量集中于一点，可以产生很高的温度，能够熔化镍基高温合金等熔点高的金属粉末，大大扩展了可成形金属的种类[1]。目前，SLM 技术可成形材料包括不锈钢、模具钢、Ni 基合金、Ti 基合金、Co-Cr 合金、Al 合金和贵金属等金属材料以及陶瓷、尼龙和聚酯乙烯等非金属材料。（2）复杂零件制造周期短传统复杂金属零件的制造工艺复杂且制造周期长，而 SLM 技术是利用激光束直接
【参考文献】：
期刊论文
[1]处在变革中的医用金属材料[J]. 郑玉峰,吴远浩. 金属学报. 2017(03)
[2]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)
[3]生物医用钛合金材料的生物及力学相容性[J]. 于振涛,韩建业,麻西群,余森,张明华,张于胜. 中国组织工程研究. 2013(25)
[4]选择性激光熔化快速成形技术与装备[J]. 史玉升,鲁中良,章文献,黄树槐,陈国清. 中国表面工程. 2006(S1)
博士论文
[1]激光选区熔化成形模具钢材料的组织与性能演变基础研究[D]. 赵晓.华中科技大学 2016
[2]医用合金粉末激光选区熔化成形工艺与性能研究[D]. 张升.华中科技大学 2014
硕士论文
[1]激光选区熔化Ni 625合金工艺基础研究[D]. 张洁.华中科技大学 2015
[2]Co-Cr合金修复体选择性激光熔化工艺及力学性能研究[D]. 徐恬.华中科技大学 2013
[3]含硅羟基磷灰石的制备和体外生物活性研究[D]. 刘克军.扬州大学 2013
[4]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
本文编号：3583838
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