分享：选区激光熔化成形不同孔隙结构Ti-15Mo 多孔合金的压缩特性

曾文灿,陈 荐,任延杰,周立波 (长沙理工大学能源与动力工程学院,长沙 410114) 

摘 要:采用选区激光熔化(SLM)技术分别成形了均匀孔隙体心立方(UBCC)、面心立方(UFCC) 及其相应梯度孔隙体心立方(GBCC)、面心立方(GFCC)结构 Ti-15Mo多孔合金试样,研究了合金的微 观形貌、压缩特性及吸能特性,并分析其压缩失效行为。结果表明:SLM 成形4种孔隙结构多孔合金 的弹性模量为0.3~1GPa,压缩平台应力为28~48MPa,与人体小梁骨(弹性模量0.2~5GPa和抗 压强度4~70MPa)相 近;UFCC 及 GFCC 结 构 合 金 的 弹 性 模 量 和 抗 压 强 度 均 高 于 UBCC 及 GBCC结构合金的,其中 GFCC结构合金最高;梯度孔隙结构合金的吸能特性均优于均匀孔隙结 构的,其中 GFCC结构合金具有最高的吸能特性,其吸收能量总量为6.60J·cm -3;均匀孔隙和梯 度孔隙结构合金均在结点处发生应力集中而导致开裂。

 关键词:选区激光熔化;Ti-15Mo合金;梯度结构;力学性能;吸能特性 中图分类号:TG115.5 文献标志码:A 文章编号:1000-3738(2022)10-0061-07

0 引 言

 Ti-15Mo合金是一种具有良好力学性能、耐腐 蚀性及生物相容性的钛合金材料,广泛用作骨科生 物材料[1]。然而钛合金的弹性模量高于人骨[2-3],在 植 入人体后会产生应力屏蔽现象,导致出现钛合金植入体松动或过早失效等问题[4]。具有孔隙结构的 钛合金具有较低的弹性模量,更接近人骨,其中的孔 隙还便于体液的流动,同时其较大的比表面积会促进 骨的融合,为新骨的组织生长提供空间[5-6]。因此,具 有孔隙结构的钛合金作为骨科材料具有较大的潜力。 传统制备点阵类型孔隙结构材料的方法包括熔 模铸造法、冲压成型法、挤压线切割法等,但这些方 法局限 性 较 大,成 本 高。选 区 激 光 熔 化 (selective lasermelting,SLM)是一种增材制造技术,具有成 形精度高、制造周期短、适合成形复杂结构零部件等 优点[7-8],且在 Ti-6Al-4V 合金植入体成形方面已有 不少的研究。MURR等[9]研究发现,SLM 成形 Ti6Al-4V 合金植入体较传统锻造加工件有着更优异 的力学性能;FUKUDA 等[10]研究发现,SLM 成形 多孔 Ti-6Al-4V 合金植入体的力学性能符合骨植入 要求;LI等[11]用 SLM 技术成形了正八面体和菱形 十二面体多孔 Ti-6Al-4V 合金植入体。然而,上述 钛合金中都含有钒和铝元素,具有潜在的细胞毒性, 会导致人体过敏,影响植入体的使用效果[12]。目前 针对无毒性钛合金的医用研究鲜有报道。钼作为钛 合金中的稳定β相组成元素,添加到钛合金中形成 的 Ti-Mo合金是无毒性的β-Ti合金,比 α-Ti或(α +β)-Ti合金具有更低的弹性模量[13-14],更适合成 为骨植入材料。 因此,作者根据晶体结构、原子排布及其稳定性 设计了体心立方 (BCC)和面心立方(FCC)孔隙结 构 Ti-15Mo多孔合金,又根据人体小梁骨的骨质结 构及孔隙率而设计了具有梯度孔隙结构的 BCC 和 FCC合金,并通过 SLM 成形了上述4种孔隙结构 Ti-15Mo多孔合金,研究了其微观形貌、压缩特性以 及吸能特性,为今后的生物相容性研究提供材料性 能基础。

 1 试样制备与试验方法

 试验原料为气雾化法生产的 Ti-15Mo钛合金 粉末,粒径在15~53μm,颗粒形貌与粒径分布如 图1所示,可知其粒径呈正态分布。度 孔 隙 BCC (GBCC)和 梯 度 孔 隙 FCC(GFCC)4 种 结 构, 结构 模 型 如 图2所 示 。模 型 的 尺 寸 均 为 15mm× C结构的支杆直径为0.5mm,孔隙的支杆直径 为0.4~0.6mm 且呈连续变化,结构层数均为5层。 梯度孔隙结构每层的孔隙率呈线性下降,如表1所 示。采用 BLT-210型选区激光熔化设备在0.5μm 厚板上进行粉末成形,氩气作为保护气体,其中氧的 体积分数低于0.1%,在 MaterialiseMagics软件上设 置成形参数,采取单层扫描策略,激光功率为175 W, 扫描速度为1200mm·s -1,层厚为30μm,扫描间 距为0.015mm。成形后采用线切割将板与不同孔 隙结构合金试样分离。采用超声波对试样进行清 洗,清洗时间为30min,然后采用真空干燥箱干燥。 采用 TESCAN MIRA3型场发射扫描电镜(SEM) 观察试样的表面形貌。采用干重法测定试样质量, 计算实际孔隙率,计算公式为 ρ=m/V (1) P =(1-ρ/ρ0)×100% (2)式中:P 为实际孔隙率,%;m 为试样的质量,g;V 为 构建 模 型 正 方 体 的 体 积,cm 3;ρ 为 试 样 的 密 度, g·cm -3;ρ0 为 Ti-15Mo合金的密度,4.95g·cm -3。 根 据 ISO13314:2011 标 准,采 用 INSTRON 5869型电子万能试验机在常温下对合金试样进行 单轴压缩试验,压缩速度为2 mm·min -1,将输出 的力-位移曲线转换为应力-应变曲线,每种试样进 行3次重复试验。能量吸收特性由单位体积的吸收 能量进行表征,单位体积吸收能量计算公式为 W = 1 100∫ εm 0 σ(ε)dε (3) 式中:W 为单位体积吸收能量,J·cm -3;σ 为应力, MPa;ε为应变,%;εm 为应力-应变曲线平台结束 点对应的应变。 绘制W-ε曲线,计算出多孔合金试样在压缩至 完全致密前单位体积吸收的总能量WT。 

2 试验结果与讨论

 2.1 微观形貌

 由图3可见:SLM 成形不同孔隙结构合金试样 的表面均无明显孔洞,结构均无变形;孔隙结构的垂 直支杆和倾斜支杆上附着了不少球形金属颗粒,这 是因为在选区激光熔化成形过程中,支杆通过逐层 熔化金属粉末并凝固而成形,部分熔化的金属粉末 会 黏附到每层的支杆边缘;未熔化的粉末与已经凝固成形的部分产生很大的温差并发生热扩散,最终 导致支柱表面有金属粉末颗粒黏附[15]。粉末颗粒 的黏附增大了支杆的表面粗糙度,有利于细胞的植 入繁殖和迁移[16]。由表2可见,均匀孔隙结构合金 试 样与其相应梯度孔隙结构试样的孔隙率相近,但是实际孔隙率都小于设计孔隙率。

 2.2 压缩特性

 通过麦克斯韦(Maxwell)公式来判断试样结构 的特性[17],具体公式为 M =s-3n+6 (4) 式中:s为杆数;n 为节点数。 计算得到 BCC 和 FCC 孔隙结构的 M 分别为 -13,-14,均小于0,判断为高柔性结构,在压缩变形 过程中以弯曲变形为主,整体变形较为均匀。由表3 可见,UBCC结构合金试样沿对角剪切带逐渐坍塌; UFCC结构合金试样随着压缩形成“V”形变形带,随 着应变的增加,中心区域逐渐致密。2种梯度结构孔隙 试样的变形过程相似,均是从结构顶部开始逐层坍塌。由图4可见,不同孔隙结构合金试样的压缩应 力-应变曲线都出现了弹性阶段、平台阶段和致密化 阶段。在压缩过程中,随应变增大,均匀孔隙结构合 金的应力先高于后低于对应梯度孔隙结构合金。这 是因为均匀孔隙结构与梯度孔隙结构合金试样的整 体孔隙率基本一致,但梯度孔隙结构中每层孔隙率 呈线性下降变化,一端孔隙率大于均匀孔隙结构,而 孔隙率越大,屈服强度和弹性模量就越小,所以在压 缩过程中,梯度孔隙结构孔隙率大的一层先变形,导 致梯度孔隙结构合金试样在相同应变下的应力低于 均匀孔隙结构合金试样;但随着应变的增加与每层 孔隙率的减小,梯度孔隙结构合金试样的应力逐渐 高于均匀孔隙结构合金试样。由表4可见,4种试 样 的弹性模量都介于0.3~1GPa之间,平台应力都介于28~48MPa之间,均处于小梁骨的力学性能 范围内。由于不同孔隙结构合金的密度不同,将弹 性模量和屈服强度分别除以密度得到的比模量和比 强度更能反映不同孔隙结构合金试样的性能差异。 UFCC结 构 合 金 试 样 的 比 模 量 和 比 强 度 分 别 是 UBCC结构合金试样的264%和230%;GFCC结构 合金试样的比模量和比强度分别是 GBCC 结构合 金 试 样 的 320% 和 224%。 对 比 可 知,UFCC 与 GFCC结构合金试样的力学性能更优,其中 GFCC 结构合金试样具有最优异的力学性能。 

由图5和图6可以看出,不同孔隙结构试样均 在结点处出现断裂现象。这是因为结构中 X 形的 支杆在加载时起到了像铰链一样的作用,增加了几 何形状突变的拐角处的拉应力集中,使结点处易产 生断裂。

 2.3 吸能特性

 由图7可见:UBCC结构和 UFCC结构合金试 样的单位体 积 吸 能 与 应 变 均 呈 近 线 性 特 征,与 应 力-应变曲线 中 塑 性 平 台 阶 段 相 似;GBCC 结 构 和 GFCC结构合金试样则表现出非线性特征。这是 因为在高孔隙率层连续坍塌过程中的单位体积吸 能要比均匀孔隙结构少,随着应变的增加,梯度孔 隙结 构 单 位 体 积 吸 能 快 速 增 加,UFCC、GFCC、 UBCC、GBCC结构合金试样的吸收能量总量分别为6.00,6.60,3.80,3.99J·cm -3,梯度孔隙结构合 金的能量 吸 收 效 果 更 好,其 中 尤 以 GFCC 结 构 合 金最优。

 3 压缩失效行为

 3.1 压缩模型的建立 

采用 ABAQUS/Standard 软 件 建 立 不 同 孔 隙 结构合金试样的压缩试验模型,来分析其失效方式。 Ti-15Mo合 金 密 度 为 4.95g·cm -3,弹 性 模 量 为 77GPa,泊松比为0.3,屈服强度为755 MPa。为了 模拟单轴压缩,创建了两个刚性板,并对试样与刚性 板之间采用法向硬接触方法,即摩擦因数为0.3的 切向接 触 行 为。在 顶 板 上 施 加 沿 z 轴 负 向 平 移 1.5mm(10%)的准静态位移载荷,底板的所有平移 和转动均固定。单元类型选择二级四面体 C3D10 单元。以 UBCC结构合金为例,所建立的有限元模 型如图8所示。 

 3.2 压缩模拟结果

 由图9可见:UBCC与 UFCC结构合金试样应 力分布均匀,支杆上的应力均小于结点处的应力。 对于 GBCC与 GFCC结构合金试样,孔隙率高的一 侧的应力高于孔隙率低的一侧,因此压缩过程中发 生逐层坍塌,应力集中都发生在结点处。应力集中 位置会优先断裂,与图5结果相符。

 4 结 论

 (1)采用SLM 技术成形 UBCC结构、UFCC结 构 及其相应的GBCC、GFCC结构Ti-15Mo多孔合金试样,成形质量良好,孔隙率与设计值的误差在 5%以内。 (2)4 种 孔 隙 结 构 试 样 的 弹 性 模 量 在 0.3~ 1GPa,平台应力为28~48 MPa,均与人体小梁骨 相近;均匀孔隙和梯度孔隙 FCC结构合金试样的弹 性模量和抗压强度均高于 BCC结构合金试样,其中 梯度孔隙 FCC结构合金试样最高;梯度孔隙结构试 样的吸能总量均大于均匀孔隙结构试样,其中梯度 孔隙 FCC结构合金试样有最优异的吸能特性,其吸 收能量总量为6.60J·cm -3。4种孔隙结构合金试 样均在结点处产生应力集中,在压缩时均在此处先 开裂,然后逐渐压溃开裂。

来源：材料与测试网