激光成形制备生物医用材料研究现状与发展趋势

激光成形技术能够实现生物医用材料、人造肢体及医用植入体的个性化设计和生产,并且具有很少的工序环节和很短的加工周期,因此在生物医用材料的制备领域具有重大应用价值。目前适合于生物医用材料制备的激光成形技术主要有立体光刻(SL),分层实体制造(LOM),选择性激光烧结/熔化(SLS/SLM)和激光立体成形(LSF)技术。基于各种激光成形制备技术的原理和特点,综述了激光成形制备生物医用材料的研究进展和应用现状,认为中国在激光成形的各个单项技术领域同发达国家的差别并不大,但综合集成和产业化的差距却非常大。因此,形成包含完整产业链的产学研创新联盟是激光成形技术在中国生物医用材料领域科技发展和产业振兴的重要途径。先进的装备技术是任何一种技术充分发展和应用的必要基础,也是我国生物医用材料产业落后于发达国家的关键环节之一。因此,迫切需要建立适用于医用植入体制造的专用激光立体成形制备系统,形成具有市场化前景、自主知识产权的产品工程化技术和工艺流程,并建立相应的技术标准体系,以显著提升我国生物医用材料及医用植入体的技术水平,促进我国医用植入及组织工程领域的整体发展。     

激光成形制备生物医用材料研究现状与发展趋势

激光成形技术能够实现生物医用材料、人造肢体及医用植入体的个性化设计和生产,并且具有很少的工序环节和很短的加工周期,因此在生物医用材料的制备领域具有重大应用价值。目前适合于生物医用材料制备的激光成形技术主要有立体光刻（SL）,分层实体制造（LOM）,选择性激光烧结/熔化（SLS/SLM）和激光立体成形（LSF）技术。基于各种激光成形制备技术的原理和特点,综述了激光成形制备生物医用材料的研究进展和应用现状,认为中国在激光成形的各个单项技术领域同发达国家的差别并不大,但综合集成和产业化的差距却非常大。因此,形成包含完整产业链的产学研创新联盟是激光成形技术在中国生物医用材料领域科技发展和产业振兴的重要途径。先进的装备技术是任何一种技术充分发展和应用的必要基础,也是我国生物医用材料产业落后于发达国家的关键环节之一。因此,迫切需要建立适用于医用植入体制造的专用激光立体成形制备系统,形成具有市场化前景、自主知识产权的产品工程化技术和工艺流程,并建立相应的技术标准体系,以显著提升我国生物医用材料及医用植入体的技术水平,促进我国医用植入及组织工程领域的整体发展。     

激光快速修复Ti-6Al-4V合金的显微组织与力学性能

针对Ti-6Al-4V合金在加工和服役过程中的损伤特点,对Ti-6Al-4V合金锻件的3种典型误加工缺陷——槽缺陷、面缺陷和体缺陷进行了激光快速修复研究。激光修复区与锻件基体形成致密冶金结合,Al、V合金元素由锻件基体到激光修复区均匀分布,无宏观偏析。激光修复区组织为粗大原始β晶粒内分布细长的α针及编织细密的α+β板条组织,呈现典型的魏氏结构,热影响区组织从锻件的等轴α+转变β组织逐步过渡到魏氏(α+β)组织。对预制有3种类型缺陷的激光修复试样进行室温静载拉伸试验和硬度测试,结果表明修复试样的拉伸性能达到锻件标准(HB5224-1982)。激光修复试样的硬度和强度高于锻件基体,而塑性则低于锻件基体。因此,激光修复区和锻件基体可看作是一种“强+弱”的组合,这与二者的显微组织是相对应的。     

电子束毛化技术在散热领域的应用研究

电子束毛化技术是一种新型的表面改性技术,可以在材料表面制备各种形状的凸起阵列,进而有效增加材料的表面积,因此在散热领域有较大的应用前景.文中通过对比试验,研究了6063铝合金毛化试样的散热、表面处理和耐腐蚀性能.研究显示,具有较高凸起且密集排列的毛化试样可以有效提高6063铝合金的散热性能.毛化过程对6063铝合金的表面导电氧化和耐腐蚀性无影响,但特定的毛化结构会影响材料的表面处理性能.此外,还要考虑毛刺刚性在长期使用过程中对散热效果的影响.     

激光快速成形工艺参数对生物陶瓷复合涂层物相组成的影响

以统计学析因设计分组,X射线衍射(XRD)仪进行物相分析,研究了激光快速成形工艺参数对生物陶瓷复合涂层物相组成的影响,并优选出适合生物陶瓷物相生成的工艺参数.结果表明,高功率下涂层中非生物陶瓷相CaO和CaTiO3占优势,低功率下生物陶瓷相磷酸三钙(TCP)大量存在,非生物陶瓷相CaO和CaTiO3消失,激光功率对涂层物相的种类和含量均有影响;高扫描速度(1500 mm/min)下涂层物相由TCP,CaO和CaTiO3组成,其中TCP的含量最大,随扫描速度降低.陶瓷相TCP的含量降低,非陶瓷相CaO和CaTiO3含量增加,扫描速度仅影响涂层物相的含量,而对物相的种类无影响.800 W+500 mm/min的工艺参数下制备的涂层中生物活性成分较多,因此比较适合制备生物陶瓷物复合涂层.     

Ti—Ti2AlNb功能梯度材料的激光立体成形研究

采用激光立体成形技术制备了从Ti到Ti2AlNb成分连续渐变,外形规则、高度为17 mm的梯度材料.分析了梯度材料的组织及相结构演变规律和硬度变化规律.随着Al和Nb成分的提高,Ti-Ti2AlNb功能梯度材料的相呈现α'→α β→α α'→α'→α β→α β/B2 α2→β/B2 α2→β/B2→B2 α2 O→B2的演变过程,实现了由α型钛合金经过α β型及β型钛合金向Ti2AlNb基合金的转变.硬度值HV从底部纯Ti的170连续渐变到顶端Ti2AlNb的470.基于钛合金富Ti区非平衡相图,并结合Al和Nb元索在钛合金中对α,β和α2稳定性的影响分析,对梯度材料在激光立体成形过程中的相演化过程进行了解释.     

激光立体成形17-4 PH不锈钢组织性能研究

对激光立体成形17-4 PH(0Cr17Ni4Cu4Nb)沉淀硬化不锈钢沉积区热处理前后的组织和常规力学性能进行了研究。光学显微镜(OM)、扫描电子显微镜(SEM)和X射线衍射(XRD)结果表明,沉积态组织主要由板条状马氏体和分布于其上和板条间少量的第二相强化质点组成。根据合金特性,推测马氏体基体上弥散析出的第二相强化质点应该为M7C3及NbC型碳化物等。靠近基材处的沉积态组织以细长的板条状淬火马氏体为主;远离基材的沉积态组织则变成粗大的板条状马氏体。沉积态试样经过固溶时效处理后,组织变为细小均匀的板条状回火马氏体,并且基体上析出了更多的第二相强化质点,这类强化质点推测应为NbC型以及M7C3,M23C6型碳化物。成形件经过热处理后,强度、硬度略微提高,而塑性则显著增加。并且其抗拉强度和塑性均高于锻棒标准,屈服强度则略低于锻棒标准。热处理前后成形件拉伸断裂均属于韧性断裂,其中M7C3型碳化物等形成的第二相质点是微观空穴和韧窝形成之源。     

TC18 钛合金中轴电子束焊接工艺研究

针对TC18 钛合金中轴的焊接,设计了锁底对接焊接试样,对TC18 电子束焊接工艺进行研究,并对比了“固溶-焊接-时效冶和“退火-焊接-固溶-时效冶两种热处理顺序对焊缝力学性能的影响。对焊缝的外观和内部质量分析显示,TC18具有良好的电子束可焊性,焊缝表面光滑,焊缝表面和内部无气孔、裂纹、夹渣等缺陷。两种热处理方式下,焊缝的抗拉强度和屈服强度均和母材相当,但“退火-焊接-固溶-时效冶方式处理的焊缝,延伸率较好,达到了9% ,完全满足使用需求。     

RESEARCH ON LASER SOLID FORMING OF A FUNCTIONALLY GRADED TI-TI2ALNB ALLOY

采用激光立体成形技术制备了从Ti到Ti2AlNb成分连续渐变、外形规则、高度为17 mm的梯度材料. 分析了梯度材料的组织及相结构演变规律和硬度变化规律. 随着Al和Nb成分的提高,Ti-Ti2AlNb功能梯度材料的相呈现α' → α+β → α+α' → α' → α+β → α+β/B2+α2 → β/B2+α2 → β/B2 →B2+ α2+O→ B2的演变过程, 实现了由$α$型钛合金经过α+β型及β型钛合金向Ti2AlNb基合金的转变. 硬度值HV从底部纯Ti的170连续 渐变到顶端Ti2AlNb的470. 基于钛合金富Ti区非平衡相图, 并结合Al和Nb元素在钛合金中对α, β和α2稳定性的影响分析, 对梯度材料在激光立体成形过程中的相演化过 程进行了解释.     

CaCO3和CaHPO4·2H2O粉末配比对激光熔覆原位合成羟基磷灰石涂层的影响

使用碳酸钙(CaCO3)和二水磷酸氢钙(DCPD,CaHPO4·2H2O)混合粉末在纯钛表面利用激光熔覆的法制备羟基磷灰石HA,Ca5(PO4)3(OH)涂层,研究CaCO3和DCPD的质量比对涂层相组成和微观组织的影响。研究发现,CaCO3和DCPD之间的反应不仅在涂层中生成结晶度较高的HA,同时还生成了一定量的磷酸四钙(TTCP,Ca4P2O9),α-磷酸钙(α-TCP,α-Ca3(PO4)2),β-磷酸钙(β-TCP,β-Ca3(PO4)2)和焦磷酸钙(Ca2P2O7),且各相的含量与混合粉末的钙磷原子比有较大关系。HA只有在混合粉末的钙磷原子比大于1.54的情况下才能生成,其含量随钙磷原子比的升高而缓慢增加;当混合粉末的钙磷原子比达到2.0时,涂层中的HA的含量达到25%(质量分数),同时涂层中还存在大量的TTCP,因此制备的涂层需要进行一定的后续热处理以增加其中HA的含量。由于制备过程中粉末之间的反应会生成大量的气体,因此制备的涂层均为多孔结构,其中用钙磷原子比为2.0的混合粉末制备的涂层中,孔隙的尺寸在100~300μm之间。粉末钙磷原子比还能影响涂层的结合强度、孔隙率和裂纹数量。随钙磷原子比的升...