选区激光熔化技术制备多孔钽工艺及性能研究

发布时间：2017-05-19 21:35

  本文关键词：选区激光熔化技术制备多孔钽工艺及性能研究，，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：每年我国大约有200万病人需要做关节置换手术,对骨组织修复材料的需求量很大,全球每年对骨修复材料需求价值在2000亿美元以上。临床试验表明,多孔钽是一种比较理想的骨修复材料。但是由于钽的熔点高达2996℃,并且钽与氧有较高的亲和力,制约着多孔钽制备技术的开发及其广泛应用。本文探索研究了选区激光熔化技术制备生物医用多孔钽。利用扫描电镜、金相显微镜对多孔钽的孔隙特征、微观组织结构及断口形貌进行观察和分析;利用显微硬度计测定其显微硬度;采用流体静力学原理测量多孔钽的孔隙率及开孔率;利用电子万能试验机测试多孔钽的抗压强度及弹性模量;研究多孔钽中主孔和微孔的形成机理;分析工艺参数对多孔钽性能的影响规律;最佳工艺参数制备的多孔钽与人体骨进行对比分析;分析制备过程典型缺陷的成因及控制。研究结果表明:多孔钽中存在主孔和微孔两种孔隙,主孔是由于选区激光熔化过程中,未被激光辐照区域内的粉末通过机械清除后产生的;在快速熔化/凝固机制和“活塞效应”的协同作用下,熔池中部分气体来不及从熔池中逃逸而被凝固前沿捕获,形成微孔。其他参数一定的情况下,随着扫描间距增大,多孔钽主孔孔径、孔隙率及开孔率均增加,抗压强度及弹性模量减小;在110A~125A区间内,随着电流增大,多孔钽主孔孔径、孔隙率及开孔率略有减小,抗压强度、弹性模量及显微硬度逐渐增大。孔隙特征与力学性能亦存在一定的关系,随着孔隙率的增加,抗压强度及弹性模量呈下降趋势,当多孔钽孔隙率由35.48%升高到50.00%时,抗压强度及弹性模量分别从480MPa和7.7GPa降低为56MPa和2.8GPa。当脉宽2.0ms、离焦量-7mm、激光束直径0.80mm、电流115A、扫描间距0.80mm时,制备的多孔钽主孔平均孔径为300μm,孔隙率和开孔率分别为48.05%、82.41%,抗压强度及弹性模量分别为5.1GPa、253MPa,显微硬度达403HV,满足骨移植材料的孔隙特征、抗压强度、弹性模量及硬度的要求。多孔钽的断裂方式主要有两种,断面呈现岩石状或冰糖状的沿晶断裂及呈现出河流花样的解理断裂,均为脆性断裂。制备过程中主要存在球化现象及裂纹两种缺陷,通过适当增大保护气体流量和调节电流大小可在一定程度上抑制其产生。
【关键词】：多孔钽 选区激光熔化 孔隙率 抗压强度 弹性模量 球化现象
【学位授予单位】：安徽工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TG146.416;R318.08
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-9
• 第一章 绪论9-20
• 1.1 引言9-10
• 1.2 生物医用多孔钽国内外研究现状10-16
• 1.2.1 钽的基本性能及多孔钽的起源10-11
• 1.2.2 多孔钽在生物医学中的应用11-13
• 1.2.3 多孔钽的制备工艺及性能研究现状13-16
• 1.3 课题的提出16-18
• 1.4 研究意义及主要研究内容18-20
• 1.4.1 研究意义18-19
• 1.4.2 研究内容19-20
• 第二章 实验材料及方法20-26
• 2.1 实验材料及设备20-21
• 2.1.1 实验材料20-21
• 2.1.2 实验设备21
• 2.2 选区激光熔化成形工艺过程21-22
• 2.3 形貌观察及性能分析22-26
• 2.3.1 表面形貌观察22-23
• 2.3.2 孔隙率测定23
• 2.3.3 压缩性能测定23-25
• 2.3.4 显微硬度测定25
• 2.3.5 物相分析25-26
• 第三章 激光熔化工艺参数对多孔钽结构的影响26-44
• 3.1 引言26
• 3.2 激光熔化多孔钛工艺及性能26-30
• 3.2.1 实验材料26
• 3.2.2 实验方法26-27
• 3.2.3 实验结果27-29
• 3.2.4 分析与讨论29-30
• 3.3 激光熔化多孔钽工艺参数30-34
• 3.4 实验结果与分析34-42
• 3.4.1 多孔钽的结构特征34-35
• 3.4.2 扫描间距对多孔钽孔隙特征的影响35-39
• 3.4.3 电流对多孔钽孔隙特征的影响39-41
• 3.4.4 孔隙形成机理研究41-42
• 3.5 本章小结42-44
• 第四章 激光熔化工艺参数对多孔钽性能的影响44-57
• 4.1 引言44
• 4.2 激光熔化多孔钽工艺参数44
• 4.3 实验结果44-48
• 4.3.1 扫描间距对力学性能的影响44-46
• 4.3.2 电流对力学性能的影响46-47
• 4.3.3 电流对显微硬度的影响47-48
• 4.4 分析与讨论48-55
• 4.4.1 压缩破坏机理研究48-51
• 4.4.2 工艺参数与力学性能相关研究51-53
• 4.4.3 多孔钽结构与性能的关系研究53-54
• 4.4.4 多孔钽与人体骨结构性能对比分析54-55
• 4.5 本章小结55-57
• 第五章 多孔钽典型缺陷的成因及控制57-64
• 5.1 引言57
• 5.2 球化现象的成因及控制57-60
• 5.3 裂纹的成因及控制60-63
• 5.4 本章小结63-64
• 第六章 结论及展望64-66
• 6.1 主要结论64
• 6.2 研究展望64-66
• 参考文献66-70
• 攻读硕士期间的研究成果70-71
• 致谢71

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