SLM制備不銹鋼與納米羥基磷灰石復(fù)合材料研究.pdf

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)。本論文針對人體骨骼金屬植入體生物活性差的問題，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。當(dāng)nHA含量超過10vol％時(shí)，增大掃描速度對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