陳 健,傅高升,,陳鴻玲,張 晨,朱陳成

(1.福州大學(xué)機(jī)械工程及自動化學(xué)院,福州 350108; 2.閩江學(xué)院物理與電子信息工程學(xué)院,福州 350108)

0 引 言

醫(yī)用金屬植入物通常用于代替因極限運動、交通事故等而出現(xiàn)缺陷或損傷的骨骼,其應(yīng)用可以追溯到19世紀(jì)[1],極大地提高了人類的健康水平和生活質(zhì)量。因此,醫(yī)用金屬植入物及其制造工藝受到了越來越多的關(guān)注。用傳統(tǒng)方法制備的醫(yī)用金屬植入物通常是致密的,無法實現(xiàn)水和營養(yǎng)物質(zhì)的運輸;并且,由于金屬的彈性模量高于人體骨骼,還會出現(xiàn)應(yīng)力屏蔽現(xiàn)象[2-3],導(dǎo)致植入物移位及相鄰部位骨壞死等問題。另外,人體骨骼的彈性模量還與年齡、性別、時間及骨骼位置有關(guān)[4]。鑒于以上種種原因,在實際治療中需要對患者的骨骼進(jìn)行個性化定制。骨科植入物通常設(shè)計為多孔結(jié)構(gòu),多孔結(jié)構(gòu)不僅能顯著降低醫(yī)用金屬植入物的彈性模量,還能為內(nèi)部營養(yǎng)物質(zhì)的輸送提供通道,促進(jìn)細(xì)胞的黏附、生長、增殖和分化,有利于骨生長和骨整合[5];此外還可以通過對孔隙率的調(diào)節(jié)得到具有期望力學(xué)性能的植入物。

鈦合金由于具有高強度、低彈性模量以及良好的生物相容性等特點,在生物醫(yī)用領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[6]。傳統(tǒng)的鈦合金件通過鑄造、鍛造、粉末冶金等方法,再結(jié)合機(jī)加工等后處理工序而得到[7],這些方法很難滿足復(fù)雜精密多孔鈦合金骨科植入物的制備需求[8]。與傳統(tǒng)制造方法相比,增材制造具有可個性化定制、制造時間短、成本低、精度高以及可節(jié)省人力資源的優(yōu)勢,可以制造出更接近天然的復(fù)雜結(jié)構(gòu)。選區(qū)激光熔化(selective laser melting, SLM)技術(shù)屬于增材制造中的粉末床熔融技術(shù),已用于復(fù)雜精細(xì)結(jié)構(gòu)醫(yī)用植入物的制備。人骨骨小梁呈多孔形貌,其內(nèi)部的孔隙呈不規(guī)則分布,而目前骨科臨床常用的植入物結(jié)構(gòu)規(guī)則,孔隙之間相互不連通,這不利于人體內(nèi)營養(yǎng)物質(zhì)的輸送。泰森多邊形是骨組織工程中常用的一種不規(guī)則多孔結(jié)構(gòu)[9-11],其孔隙之間相互連通,具有良好的仿生學(xué)功能,并能有效避免應(yīng)力屏蔽現(xiàn)象。

SLM成形過程是一個復(fù)雜的冶金過程,其工藝參數(shù),特別是激光功率、掃描速度和掃描間距對TC4鈦合金顯微組織會產(chǎn)生一定的影響[12-15],但是目前的研究多集中在實體TC4鈦合金,尚缺乏工藝參數(shù)對多孔結(jié)構(gòu)TC4鈦合金骨科植入物組織影響等方面的研究。為此,作者通過Rhino軟件設(shè)計泰森多邊形多孔結(jié)構(gòu),并采用SLM成形技術(shù)制備多孔TC4鈦合金,研究了成形工藝參數(shù)對其組織的影響規(guī)律,以期為多孔TC4鈦合金骨科植入物的SLM高質(zhì)量成形提供可靠的試驗依據(jù)。

1 試樣制備與試驗方法

為設(shè)計出與骨小梁相似的不規(guī)則多孔結(jié)構(gòu)骨科植入物模型,作者利用泰森多邊形原理在特定空間中生成隨機(jī)點,利用Rhino軟件的可視化插件Grasshopper構(gòu)建泰森多邊形不規(guī)則多孔結(jié)構(gòu),具體的建模流程如圖1所示,得到孔隙率為75%[16]的泰森多邊形不規(guī)則多孔結(jié)構(gòu)。

圖1 泰森多邊形不規(guī)則多孔結(jié)構(gòu)的建模流程Fig.1 Modeling process of Voronoi polygonal irregular porous structure: (a) generating random seed points in 3D space; (b) generating Voronoi polygon cells; (c) extracting Voronoi polygon border lines and (d) generating Voronoi polygon solid model

試驗原料為采用等離子激光球化技術(shù)制備的TC4鈦合金粉末,其化學(xué)成分如表1所示,形貌如圖2所示,可見粉末的球形度較高;粉末粒徑為15～53 μm,平均粒徑為28.56 μm,球形率不低于99%。采用SLM 125HL型3D打印機(jī)進(jìn)行打印,其最大成形尺寸為125 mm×125 mm×125 mm,所配備的單道激光器為最大功率400 W的IPG光纖激光器。將鋪粉層厚設(shè)置為30 μm,光斑直徑為90 μm,成形過程的保護(hù)氣體為氬氣,借鑒已有的研究報道[17-20],通過改變對SLM成形影響比較大的工藝參數(shù),即激光功率、掃描速度、掃描間距進(jìn)行試驗,具體參數(shù)如表2所示。

表1 TC4鈦合金粉末的化學(xué)成分

表2 TC4鈦合金的SLM成形工藝參數(shù)

圖2 TC4鈦合金粉末的SEM形貌Fig.2 SEM morphology of TC4 titanium alloy powder

對多孔TC4鈦合金試樣的xOy面和xOz面(如圖3所示)進(jìn)行研磨、拋光,用由體積比為2…1…17的HF、HNO3、H2O組成的溶液腐蝕后,使用MV500型光學(xué)顯微鏡(OM)、 SU3800型掃描電子顯微鏡(SEM)對實體部分的顯微組織進(jìn)行觀察;采用Image-Pro Plus軟件對xOz面的β柱狀晶寬度和初生馬氏體的長度進(jìn)行統(tǒng)計,并對熔合不佳、氣孔、鎖孔等微觀孔洞缺陷的尺寸、數(shù)量進(jìn)行定量分析。在不同試樣的xOy面中選擇20個放大倍數(shù)為500倍的視場,除缺陷之外的部分占整個視場的占比即為該視場下的相對密度,測20個視場取平均值,即可得到多孔TC4鈦合金實體部分的相對密度。

圖3 成形試樣與基板的位向關(guān)系Fig.3 Orientation relationship between formed sample and substrate plate

2 試驗結(jié)果與討論

2.1 對微觀孔洞缺陷的影響

由圖4可知:當(dāng)激光功率由180 W增加到220 W時,SLM成形試樣的微觀孔洞缺陷的平均數(shù)量從370個減少到121個,平均面積從20 μm2減小到7 μm2。由圖5可知:當(dāng)激光功率為180 W時,SLM成形試樣孔洞中仍可見部分未熔粉末,孔洞的尺寸明顯較大,統(tǒng)計得到其相對密度僅為97.6%,這是能量輸入不足造成的。隨著激光功率的增加,粉末床的能量輸入增大,熔池溫度變高,粉末熔化更加充分,熔體的黏度變小,潤濕性和流動性變好,并且激光功率越大,形成的熔池越大越深,熔池之間的搭接效果越好,層與層之間的冶金結(jié)合也越好[21],因此缺陷的尺寸減小,數(shù)量減少。當(dāng)激光功率為200,220 W時,相對密度分別提高至98.2%,98.7%,成形質(zhì)量變好。

圖4 SLM成形試樣的微觀孔洞缺陷面積和數(shù)量與激光功率的關(guān)系Fig.4 Relation between micropore defect area and number and laser power of SLM formed samples

由圖6可知:當(dāng)掃描速度為1 200 mm·s-1時,SLM成形試樣中微觀孔洞缺陷的平均數(shù)量為114個,平均面積為5 μm2;掃描速度為1 600 mm·s-1下微觀孔洞缺陷的數(shù)量和尺寸變化不大;當(dāng)掃描速度由1 600 mm·s-1增加到2 000 mm·s-1時,缺陷的平均數(shù)量由121個增加到493個,平均面積由7 μm2增加到45 μm2。可知,掃描速度在1 200～1 600 mm·s-1范圍內(nèi)較合適,成形試樣中含有較少的成形缺陷。當(dāng)激光功率和掃描間距相同時,隨著掃描速度的增大,激光束與粉末的作用時間縮短,導(dǎo)致粉末不足以完全熔化,形成的熔池較小,熔體的黏度較大,潤濕性和流動性降低,熔池之間的搭接效果變差,此外在相同的鋪粉層厚度下,較快的掃描速度所形成的熔池深度較淺,層與層之間的冶金結(jié)合變差, 因此缺陷生成的傾向增強[22]。

圖6 SLM成形試樣的微觀孔洞缺陷面積和數(shù)量與掃描速度的關(guān)系Fig.6 Relation between micropore defect area and number and scanning speed of SLM formed samples

由圖7可知:當(dāng)掃描速度為1 200 mm·s-1時,試樣中缺陷的尺寸較小,數(shù)量也較少,相對密度高達(dá)99.2%;當(dāng)掃描速度為1 600 mm·s-1時,缺陷尺寸變大,數(shù)量增多,相對密度減小至98.7%;當(dāng)掃描速度增大至2 000 mm·s-1時,由于激光束與粉末的作用時間很短,輸入的能量嚴(yán)重不足,因此層與層之間的冶金結(jié)合較差,形成了呈條縫狀且尺寸較大的缺陷,其內(nèi)部有許多未熔粉末存在,相對密度進(jìn)一步減小為96.9%。綜上,掃描速度為1 200 mm·s-1時試樣的成形質(zhì)量最好。

圖7 不同掃描速度下SLM成形試樣的缺陷形貌(激光功率220 W、掃描間距120 μm)Fig.7 Defect morphology of SLM formed samples at different scanning speeds (laser power of 220 W and scanning spacing of 120 μm)

由圖8可知,當(dāng)掃描間距由80 μm增加到120 μm時,SLM成形試樣中微觀孔洞缺陷的數(shù)量降低,平均面積呈先減小后基本不變的趨勢,說明成形試樣的成形質(zhì)量變好。掃描間距主要通過影響熔池之間的搭接來影響缺陷的產(chǎn)生:當(dāng)掃描間距較大時,相鄰熔池之間的搭接率較低,會產(chǎn)生大小不一、分布隨機(jī)的孔隙缺陷[23],當(dāng)掃描間距較小時,熔池搭接部分會發(fā)生重熔,從而增大缺陷生成的傾向[24]。

圖8 SLM成形試樣的微觀孔洞缺陷面積和數(shù)量與掃描間距的關(guān)系Fig.8 Relation between micropore defect area and number and scanning spacing of SLM formed samples

由圖9可以看出:在激光功率200 W、掃描速度1 200 mm·s-1下,成形試樣微觀孔洞缺陷中沒有出現(xiàn)未熔粉末,且相比低激光功率或高掃描速度下形成的缺陷尺寸要小;隨著掃描間距的增加,缺陷的尺寸和數(shù)量減少。當(dāng)掃描間距為80,100,120 μm時,成形試樣的相對密度分別為98.1%,98.5%,99.2%?？芍?當(dāng)掃描間距為120 μm時,成形試樣具有更高的成形質(zhì)量。綜上,掃描速度的變化導(dǎo)致缺陷尺寸和數(shù)量的變化相比激光功率和掃描間距更明顯,說明掃描速度是影響缺陷生成的主要原因。

圖9 不同掃描間距下SLM成形試樣的缺陷形貌(激光功率220 W、掃描速度1 200 mm·s-1)Fig.9 Defect morphology of SLM formed samples at different scanning spacings (laser power of 220 and scanning speed of 1 200 mm·s-1)

2.2 對顯微組織的影響

在試驗條件下,所有SLM成形試樣均表現(xiàn)出了相似的顯微組織,以S5試樣為例對其組織進(jìn)行分析。由圖10可知:在xOz面靠近多孔結(jié)構(gòu)孔隙部分存在等軸晶和平行于成形平面(基板表面)的柱狀晶,與實體結(jié)構(gòu)件垂直于成形平面的全柱狀晶形貌[25-27]不同。一般實體結(jié)構(gòu)件的打印方向(z方向)為主要的散熱方向,因此組織為垂直于成形平面的全柱狀晶粒形貌。多孔結(jié)構(gòu)內(nèi)部存在的大量孔隙會影響其散熱方向,靠近孔隙邊界的部分沿垂直于孔隙方向散熱,晶粒生長方向垂直于孔隙邊界或在垂直散熱方向的影響下與孔隙邊界成一定角度;當(dāng)晶粒繼續(xù)向內(nèi)生長時,垂直于孔隙邊界不再是優(yōu)先散熱方向,在2個散熱方向的交匯處形成的β晶便呈等軸狀,其散熱受多個方向的影響。在xOz面中平行于xOy平面的柱狀晶長度等于多孔結(jié)構(gòu)桿的寬度,與平行于z方向的柱狀晶交叉生長,其寬度一般較小,這是因為孔隙邊界的熔池具有較大的過冷度,并且在凝固過程中以未熔粉末為形核基底[28]。

圖10 S5成形試樣xOz面靠近孔隙部分的OM形貌Fig.10 OM morphology of part near pore on xOz plane of S5 formed sample: (a) at low magnification and (b) at high magnification

由圖11可見:SLM成形試樣xOz面遠(yuǎn)離孔隙部分的組織主要由柱狀晶組成,說明z方向仍然是多孔TC4鈦合金在SLM過程中的主要散熱方向。柱狀β晶不完全平行于z方向,與z方向夾角較小。初生針狀馬氏體首先在β晶界形核[29],并與β晶呈一定的Burges取向關(guān)系[30]生長,隨后橫貫整個柱狀晶,甚至生長入相鄰柱狀晶內(nèi);初生馬氏體大致呈平行排列且與β晶長軸方向大約成±45°的關(guān)系。SLM成形件xOy面和xOz面的凝固條件不一致,其組織具有各向異性。xOy面呈等軸狀的晶粒形貌,并且在xOy面發(fā)現(xiàn)了比初生馬氏體尺寸更細(xì)小的馬氏體。這些細(xì)小的馬氏體是在后續(xù)的多次熱循環(huán)作用下生成的二次、三次甚至是四次馬氏體,可以通過改變SLM工藝參數(shù)控制其尺寸[31];次生馬氏體在初生馬氏體板條間生長,大小受初生馬氏體尺寸的影響,通常比初生馬氏體更細(xì)更短。

圖11 S5成形試樣遠(yuǎn)離孔隙部分的微觀形貌Fig.11 Micromorphology of part away from pore of S5 formed sample: (a) OM morphology of xOz plane; (b) OM morphology of xOy plane and (c) SEM morphology of xOy plane

在掃描速度為1 600 mm·s-1,掃描間距為120 μm條件下,當(dāng)激光功率為180,200,220 W時,SLM成形試樣中β柱狀晶的寬度分別為99,116,122 μm,初生馬氏體長度分別為121,148,153 μm。結(jié)合圖12可知:SLM成形多孔TC4鈦合金中β柱狀晶的寬度隨激光功率的增加而增大,這是因為激光功率越大,形成的熔池越寬,越有利于β柱狀晶的粗化。當(dāng)激光功率增大時,單層熔覆層的厚度增加,后一層熔覆對前一層的重復(fù)熱輸入增大,并且在隨后的逐層成形過程中熱量逐漸積累,導(dǎo)致后續(xù)熔覆層的溫度梯度降低,冷卻速率減小;此外激光功率越大,所形成的熔池溫度越高,熔池在β相轉(zhuǎn)變溫度以上停留的時間越久,而由于β相的自擴(kuò)散系數(shù)較大,晶粒生長激活能較小,在β相轉(zhuǎn)變溫度以上的長時間停留會導(dǎo)致更粗的柱狀β晶粒產(chǎn)生[21]。初生馬氏體由于在β柱狀晶內(nèi)形核長大,并呈一定的位向關(guān)系,其尺寸受柱狀晶寬度的限制,因此隨著激光功率的增大,β柱狀晶粗化,初生馬氏體的平均長度也增大。

圖12 不同激光功率下SLM成形試樣xOz面的顯微組織(掃描速度1 600 mm·s-1、掃描間距120 μm)Fig.12 Microstructures of xOz plane of SLM formed sample at different laser powers (scanning speed of 1 600 mm·s-1 and scanning spacing of 120 μm)

在激光功率為220 W,掃描間距為120 μm條件下,當(dāng)掃描速度為1 200,1 600,2 000 mm·s-1時,SLM成形試樣中β柱狀晶寬度分別為138,122,105 μm,初生馬氏體長度分別為170,153,119 μm。結(jié)合圖13可以看出:SLM成形多孔TC4鈦合金中β柱狀晶的寬度和初生馬氏體的長度隨掃描速度的增加而減小。掃描速度主要通過影響激光束與粉末的作用時間進(jìn)而影響粉末床熱量的輸入,掃描速度越快,激光束與粉末的作用時間越短,對前一層的重復(fù)熱輸入越少,熱量積累越少, 后續(xù)熔覆層的溫度梯度越大, 冷卻速率越快;同時在較快的掃描速度下,熔池的溫度較低,熔池在β轉(zhuǎn)變溫度以上的停留時間縮短,導(dǎo)致更細(xì)柱狀晶的產(chǎn)生。

圖13 不同掃描速度下SLM成形試樣xOz面的顯微組織(激光功率220 W、掃描間距120 μm)Fig.13 Microstructures of xOz plane of SLM formed sample at different scanning speeds (laser power of 220 W and scanning spacing of 120 μm)

在激光功率為220 W,掃描速度為1 200 mm·s-1條件下,當(dāng)掃描間距為80,100,120 μm時,SLM成形試樣中β柱狀晶寬度分別為83,107,138 μm,初生馬氏體長度分別為115,123,170 μm。結(jié)合圖14可知:SLM成形多孔TC4鈦合金的β柱狀晶寬度和初生馬氏體長度均隨掃描間距的增加而增大。掃描間距主要影響掃描軌跡之間的搭接率,即熔池之間的搭接率,進(jìn)而影響組織形貌。由圖15可知:在掃描間距為80 μm時,熔池之間的搭接率增大,熔池重疊部分增多,相鄰熔池的重熔使已結(jié)晶的柱狀β晶寬度減小;當(dāng)掃描間距增大至120 μm時,熔池之間的搭接率減小,相鄰熔池的重熔部分減少,在較小的熱影響下β柱狀晶的寬度增加。 掃描間距為80 μm時的β柱狀晶和初生馬氏體尺寸較小,且掃描間距的變化使得β柱狀晶和初生馬氏體的尺寸變化更大,說明掃描間距相比激光功率和掃描速度對組織的影響更明顯。

圖14 不同掃描間距下SLM成形試樣xOz面的顯微組織(激光功率220 W、掃描速度1 200 mm·s-1)Fig.14 Microstructures of xOz plane of SLM formed sample at different scanning spacings (laser power of 220 and scanning speed of 1 200 mm·s-1)

圖15 不同掃描間距下熔道的形貌示意Fig.15 Schematic of melt channel morphology at different scanning spacings

綜上所述:在激光功率220 W、掃描速度1 200 mm·s-1、掃描間距120 μm的工藝條件下TC4鈦合金成形件具有更少的微觀孔洞缺陷和更高的相對密度(99.2%),而在激光功率220 W、掃描速度2 000 mm·s-1、掃描間距120 μm的工藝條件下具有更細(xì)小的β柱狀晶和針狀初生馬氏體。雖然細(xì)小組織可使成形件具有更好的力學(xué)性能,但是內(nèi)部較大孔洞缺陷的存在會削弱有效承載截面積,嚴(yán)重降低其力學(xué)性能,縮短骨科植入物的使用壽命。相對密度是評價3D打印工藝質(zhì)量的重要指標(biāo)[28],因此在確保性能的前提下,在實際應(yīng)用中應(yīng)選取成形件相對密度較高的制備工藝。

3 結(jié) 論

(1) 隨著激光功率的增大、掃描速度的減小或掃描間距的增大,SLM成形多孔TC4鈦合金的微觀孔洞缺陷數(shù)量減少,尺寸減小,相對密度提高;掃描速度是影響缺陷生成的主要原因。在激光功率220 W、掃描速度1 200 mm·s-1、掃描間距120 μm的工藝條件下SLM成形多孔TC4鈦合金具有最少的微觀孔洞缺陷,其相對密度可達(dá)99.2%。

(2) 多孔TC4鈦合金靠近多孔結(jié)構(gòu)孔隙部分的截面存在等軸晶和平行于成形平面的柱狀晶,而遠(yuǎn)離孔隙部分的組織主要由柱狀晶組成,且柱狀晶內(nèi)部為與其長軸成±45°且平行排列的初生針狀馬氏體。

(3) 隨著激光功率的減小或掃描速度的增大,能量輸入減少,β柱狀晶的寬度和初生馬氏體的長度均減小,所形成的組織更細(xì)小。掃描間距越大,β柱狀晶的寬度和初生馬氏體的長度均越大,所形成組織越粗大;掃描間距對組織的影響比激光功率和掃描速度更大。