羥基磷灰石(HA)具有良好的生物相容性、生物活性、骨傳導(dǎo)性以及無毒和無炎性，然而HA的低強(qiáng)度阻礙了其在承重植入物中的應(yīng)用。而鈦合金具有高強(qiáng)度、生物相容性好和耐腐蝕的優(yōu)點非常適合承重植入物，但是它缺乏生物活性特性。因此，近年來人們對使用鈦合金合金和HA的組合制造植入物產(chǎn)生了極大的興趣。目前已經(jīng)有報道使用LPBF工藝制造了Ti-HA 復(fù)合材料，并且提出了對Ti-HA復(fù)合系統(tǒng)的機(jī)械性能的見解。然而，目前尚未有文獻(xiàn)全面探討最重要的HA粉末特性對零件微觀結(jié)構(gòu)和機(jī)械性能的影響。
近日，加拿大麥克馬斯特大學(xué)Eskandar Fereiduni團(tuán)隊和中山大學(xué)的陳建宇等人合作考察了羥基磷灰石(HA)粉末粒度和含量對激光粉末床熔融(LPBF)制造的Ti-6Al-4V(Ti64)-HA 復(fù)合材料的加工性能、微觀結(jié)構(gòu)和機(jī)械性能的影響。相關(guān)結(jié)果以“Processing of hydroxyapatite (HA)-Ti-6Al-4V composite powders via laser powder bed fusion (LPBF): Effect of HA particle size and content on the microstructure and mechanical properties ”為題發(fā)表在《Journal of Materials Research and Technology》上。
論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.jmrt.2023.05.111
研究要點
首先研究人員將Ti-6Al-4V基粉與HA粉混合。復(fù)合系統(tǒng)的命名如表1所示。SEM（圖1）表明HA顆粒在整個Ti64-HA復(fù)合粉末系統(tǒng)中均勻分散并且沒有明顯的團(tuán)聚，大部分HA顆粒粘附Ti64粉末顆粒的表面。EDS分析表示粘附顆粒由HA的構(gòu)成元素Ca、P和O組成。通過測量不同復(fù)合粉末的光反射率隨波長的變化清楚地揭示了修飾的粉末顆粒在增強(qiáng)光/顆粒相互作用方面的重要作用，從而降低了反射率。
表1 本研究中分配給不同復(fù)合系統(tǒng)的名稱
圖1 SEM 顯微照片：(a)1%-M、(b)1%-N、(c)2.5%-M、(d)2.5%-N復(fù)合材料、(e)Ti64粉末。(g,h,i)為(f)中所示的2.5%-M復(fù)合粉末的元素EDS 圖(j)Ti64、HA-M、HA-N和不同復(fù)合粉末的光反射率隨波長的變化。
隨后研究人員表征了材料的機(jī)械性能。納米壓痕載荷-位移曲線（圖2）結(jié)果表明所有材料均呈現(xiàn)彈塑性。摻入HA后引起的強(qiáng)化效應(yīng)使得復(fù)合材料中觀察到最大穿透深度相比Ti64顯著降低。并且HA含量越高，最大滲透深度越低。添加1 wt% HA（微米級或納米級）和2.5 wt% HA分別導(dǎo)致納米硬度增加約30%和75%。應(yīng)力-應(yīng)變曲線（圖3）顯示Ti64的屈服強(qiáng)度為1080 ± 36 MPa，1%-M和1%-N復(fù)合材料的屈服強(qiáng)度分別比整體Ti64高19%和17%。很明顯，HA粒度對納米硬度和屈服強(qiáng)度方面的機(jī)械性能沒有顯著影響。
圖2 LPBF制造的納米壓痕載荷-位移曲線：(a) 1%-M、(b) 1%-N、(c) 2.5%-M 復(fù)合材料和 (d) 整體 Ti64 樣品。(e)整體式Ti64、1%-M和2.5%-M樣品的代表性載荷-位移曲線。(f) LPBF 制造的整體Ti64和不同復(fù)合樣品的平均納米硬度。
圖3 LPBF制造的納米壓痕應(yīng)力-應(yīng)變曲線：(a)整體Ti64，(b) 1%-M，(c) 1%-N，和(d) 2.5%-M 樣品。(e)從(a–d)中的納米壓痕衍生應(yīng)力-應(yīng)變曲線獲得的樣品的平均屈服強(qiáng)度。
最后研究人員進(jìn)行了顯微結(jié)構(gòu)表征，結(jié)果表明：Ti64、1%-M和1%-N樣品都沒有裂紋，而圖（4）中結(jié)果顯示2.5%-M和2.5%-N樣品包含分布在整個零件中且方向隨機(jī)的高頻長裂紋。隨后通過EBSD分析檢查了該樣品中包含裂紋的區(qū)域，揭示了所研究裂紋的跨晶性質(zhì)，并表明裂紋沒有沿著PBG（晶間）傳播。
圖4 (a)OM和(b)來自LPBF制造的2.5%-M樣品橫截面的SEM圖像。(c)反極圖(IPF-X)、(d) 重建的PBG和(e)核平均取向誤差(KAM)EBSD圖，來自裂紋及其鄰近區(qū)域。
總結(jié)
本研究探討了HA含量對Ti64-HA復(fù)合材料樣品的LPBF可加工性、微觀結(jié)構(gòu)和機(jī)械性能的影響。結(jié)果如下：無論使用的體積能量密度如何，含1 wt% HA 的復(fù)合樣品無裂紋產(chǎn)生。然而，在含有2.5wt.%HA的L-PBF制造的復(fù)合材料中發(fā)生了一些斷裂。與Ti64相比，向Ti64中添加HA可以提高納米硬度和屈服強(qiáng)度，并且這種提高與引入的HA含量成正比。在給定HA含量的條件下，摻入的HA尺寸的不同對復(fù)合材料的力學(xué)性能沒有顯著差異。
京公網(wǎng)安備11010802046783號
