选区激光熔化316L不锈钢多孔材料的成型与力学性能.pdf
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1、第 41 卷 第 1 期 邢 台 职 业 技 术 学 院 学 报 Vol.41 No.1 2024 年 2 月 Journal of Xingtai Polytechnic College Feb.2024 收稿日期:20230923 作者简介:郭浩宇(1993),河南商丘人,商丘工学院机械工程学院,助教。77 选区激光熔化 316L 不锈钢多孔材料的成型与力学性能 郭浩宇,张英豪,宋 哲(商丘工学院,河南 商丘 476000)摘 要:金属多孔结构因可以有效地解决植入体“应力屏蔽”效应带来的负面影响而备受关注。通过选区激光熔化技术(Selective laser melting,SLM),成型
2、了不同孔隙率的 316L 不锈钢多孔结构,探究了其成型过程后的表面形貌及力学性能。结果表明,SLM 制备的多孔结构表面无明显的裂纹、塌陷、翘曲变形等缺陷。成型的多孔结构孔隙率为 60%80%,弹性模量为 3.1564.906 GPa,满足了与人骨的匹配要求,并随着孔隙率的增加而降低。抗压强度随着孔隙率的增大而减小,为 204352 MPa,远高于人骨的强度。关键词:选区激光熔化;多孔结构;力学性能 中图分类号:TG665 文献标识码:A 文章编号:10086129(2024)01007703 多孔金属材料经常被应用于治疗骨科类疾病,例如人工关节置换和髋关节修复。与陶瓷和高分子材料相比较而言,金
3、属材料具有机械强度高、抗疲劳能力强、易加工成形等优点,在骨稳定性重建和关节功能置换中发挥着重要的作用1。将多孔金属材料制成植入物,可以有效地缓解“应力屏蔽”造成的不利影响2,3。其中,多孔生物医用 316L 不锈钢由于其良好的生物相容性、优异的力学性能、对体液的耐腐蚀性、低廉的成本,已成为临床中广泛应用的医用植入材料4。随着众多学者对多孔结构的进一步研究,多孔结构显示出了显著的优越性。Chunze Yan 等人5成功制备了 Ti-6Al-4V 三周期极小曲面结构(TPMS),其互连孔隙率为 80%-95%,弹性模量在 0.12-1.25 GPa 范围内,与小梁骨的弹性模量一致。Sajad Ar
4、abnejad 等人6设计和建造了四面体和八元桁架,以探索孔隙大小和孔隙率对骨细胞生长的影响。Jaroslav 等人7利用选择性激光熔化技术成功制备了孔隙率 87%的 316L 不锈钢支架,并对其显微组织、力学性能、表面形貌进行了研究。选择性激光熔化(SLM)是一种重要的增材制造技术8。它将计算机辅助设计(CAD)与计算机辅助制造(CAM)相结合,能够对复杂结构的制造进行精确控制。该技术不仅具有高度的操作自由度,而且生产的零件致密度可达 100%9。此外,选区激光熔化技术可以利用高能激光束直接熔化金属粉末,从而实现零件的成形,减少了大量的中间环节,被认为是一种很有前途的制造技术,为种植体的制造
5、提供了有效的技术支持10。综上所述,SLM 制备的多孔结构植入体,其孔隙率对力学性能存在显著的影响。本文通过设计系列不同孔隙率大小的多孔结构,分析 SLM 成型多孔结构表面的形貌特征,并探讨孔隙率与多孔结构力学性能的关系,为 SLM 制备多孔植入体提供理论依据。一、材料和方法 1.材料 本文所用的 316L 不锈钢粉末购自德国SLM-Solutions 公司,如图 1 所示,316L 不锈钢粉末的 SEM(TM3030Plus,日立,日本)图像,粉末颗粒球形度较好,表面光滑,有良好的流动促进性。粉体的粒度范围为 10-45 m,各元素含量见表1。实验前,将粉末进行烘干处理。图 1 316 不锈
6、钢粉末颗粒的 SEM 图像 表 1 316L 不锈钢化学成分(wt.%)化学成分 wt.%C 0.03 Mn 2.00 邢台职业技术学院学报 2024 年 第 1 期 78 Si 1.00 Cr 16.018.0 Ni 10.025.0 P 0.045 S 0.03 Mo 2.03.0 Fe 余量 2.实验设备 利用 SLM 技术完成对多孔结构的制备。SLM设备(SLM125HL,SLM Solution,德国)的工作原理如图 2 所示,在激光熔化过程中,氮气被作为保护气体用来保护金属不被氧化。本实验选取的工艺参数如表 2 所示。压缩试验采用长春机械院研发的SDS100 型疲劳试验机进行。图
7、2(a)SLM 设备;(b)SLM 设备的工作原理 表 2 工艺参数 激光功率(W)扫描速度(m s-1)扫描间隙(mm)层厚(mm)扫描策略 250 800 0.10 0.02 单向 二、结果与分析 1.SLM 成型多孔结构的形貌分析 图3 多孔结构图(a)多孔结构试件;(b)多孔结构的表面形貌;(c)激光熔化粉末示意图 本实验设计的多孔结构如图 3 所示,其孔隙率分别为 50%、60%、70%和 80%。SLM 成型的多孔结构无明显的裂纹、塌陷、翘曲变形等缺陷。为了进一步探究多孔结构的表面特征,采用 SEM 观察多孔结构的微观结构。如图 3(b)所示,制备的多孔结构准确地复制了模型内部的网
8、格结构。此外,多孔结构表面附着未完全熔化的球形粉末颗粒和焊接颗粒,形成孔隙和微小沟壑,导致多孔结构表面形貌粗糙。此现象归因于 SLM 的成型原理,高能激光束作用于粉床,金属粉末由固态变成液态,形成的熔池会吸附周围未能熔化的粉末颗粒,冷却凝固后,会焊接在多孔结构表面。2.SLM 成型多孔结构的力学分析 多孔结构的设计需要满足金属植入物在患者体内的生物相容性。通过植入体与患者骨骼弹性模量的匹配,可以有效解决“应力屏蔽”效应。对于种植体来说,高抗压强度可以增加种植体抵抗变形的能力,同时也增加了种植体的使用寿命,对患者的治疗效果有明显的促进作用。孔隙率是影响骨细胞生长的重要因素。有研究表明,当孔隙率大
9、于50%时,有利于骨细胞的增殖和分化,且孔隙率越高,促进作用越明显。如图 4 不同孔隙率的应力-应变所示,316 L 不锈钢材料制备的多孔结构,具有出色的抗压强度。计算出 0.20.4 应变下应力的均值,可以得到设计的多孔结构抗压强度范围在204352 MPa,远高于人体骨骼的强度。此外,如图 5 所示,可以明显的观察到,随着孔隙率的增加,多孔结构的抗压强度有显著的下降,但即使孔隙率高达 80%,抗压强度也大于 204 MPa。如图 6 所示,多孔结构的孔隙率的增加,弹性模量同样也表现出下降的趋势,其弹性模量的范围在 3.1564.906 GPa,符合了与人体骨骼弹性模量相匹配的需求。0.00
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