SLM制備不銹鋼與納米羥基磷灰石復(fù)合材料研究.pdf_第1頁(yè)
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1、激光選區(qū)熔化技術(shù)(Selective laser melting,SLM)基于分層-疊加成形原理,通過(guò)激光束直接熔化金屬及合金粉末,可實(shí)現(xiàn)一次性成形近全致密、綜合性能優(yōu)良的零件,尤其適宜于難加工材料的成形及復(fù)雜結(jié)構(gòu)、個(gè)性化結(jié)構(gòu)的制造。
  本研究表明在適當(dāng)?shù)牟牧吓浔群凸に嚄l件下,利用SLM工藝可制備出滿足承重骨修復(fù)體力學(xué)性能要求的316L-HA復(fù)合材料,有望用于承重骨修復(fù)。本論文針對(duì)人體骨骼金屬植入體生物活性差的問(wèn)題,以316L不

2、銹鋼(Stainless Steel,SS)及納米羥基磷灰石(nano hydroxyapatite,nHA)粉末為成形材料,采用SLM工藝成形了不同配比的316LSS-nHA(0,5,10,15vol.%)復(fù)合材料,以期達(dá)到改善金屬植入體生物相容性的目的。通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究結(jié)合理論分析,揭示材料配比及SLM工藝參數(shù)對(duì)成形性能的影響,表征SLM成形復(fù)合材料的微觀結(jié)構(gòu)、元素分布以及致密度和力學(xué)性能,分析和討論SLM成形SS-nHA復(fù)合材料用于骨

3、骼植入體的適應(yīng)性。主要內(nèi)容如下:
  微觀組織SLM成形的316L-nHA復(fù)合材料原始表面存在沿掃描方向分布的溝壑,并均勻分布著鈣、磷化合物。由于nHA密度小,在激光熔融金屬液體中上浮至熔池表面,并形成金屬與陶瓷冶金連接界面,結(jié)合強(qiáng)度高,有利于增強(qiáng)復(fù)合材料力學(xué)特性。SLM成形過(guò)程中溫度梯度和冷卻速度高,但nHA與純316L不銹鋼熱膨脹系數(shù)相差較大,在殘余應(yīng)力作用下極易產(chǎn)生微裂紋。多種材料配比及掃描速度成形的樣件SEM截面形貌顯示,

4、隨著nHA含量的增加裂紋密度增大,但增大激光掃描速度裂紋密度有減小趨勢(shì)。當(dāng)nHA含量超過(guò)10vol%時(shí),增大掃描速度對(duì)裂紋的抑制作用明顯減小。另外,SEM結(jié)果顯示裂紋主要集中在熔池搭接邊界區(qū)域。這與熔池搭接過(guò)程中nHA成分運(yùn)移密切相關(guān)。
  316L-5nHA復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度與純316L不銹鋼相當(dāng),最大值622.3 Mpa,呈混合型斷裂,塑性較好,延伸率高達(dá)24%。當(dāng)nHA含量增加至10vol%時(shí),內(nèi)部裂紋急劇增多,復(fù)合材料的致

5、密度及強(qiáng)度急劇下降,最高僅為96%及264.4MPa,呈脆性斷裂,延伸率僅為3%。nHA含量較低時(shí)(5vol%),材料的壓痕硬度和純316L不銹鋼相差不大,隨著nHA含量增加至10vol%及以上時(shí),壓痕硬度有所下降。同316 L不銹鋼相比,316 L-5 nHA復(fù)合材料的彈性模量升高,316 L-10 nHA及316L-15 nHA復(fù)合材料由于內(nèi)部裂紋增多,較易在外力作用下變形,因此彈性模量降低。SLM成形的316L-nHA復(fù)合材料的彈

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