纯镁粉末选区激光熔化工艺及成形件组织性能研究

摘要

镁及镁合金作为目前最轻的金属材料，在汽车、航天航空、军事及电子行业等领域有着广泛的应用背景。镁又具有良好的生物相容性、力学相容性和可降解等特性，近些年来作为生物医用植入材料而被广泛研究。然而由于其自身高的腐蚀速率和成形工艺特性的限制，制约了镁及镁合金在生物植入材料方面的应用与发展，其实际的应用远远要落后于其他金属植入材料。
　　选区激光熔化(SLM)技术是近些年来发展起来的新型增材制造工艺，其成形零件不受结构形状的制约，能够实现复杂零件个性化定制制造。而且激光快速熔化凝固工艺能够大幅度的细化组织，改善制件的各方面性能。因此，SLM技术有望为医用生物镁基材料的个性化制造开辟一条新道路。
　　本课题以纯镁粉末作为原材料进行SLM成形块体纯镁的研究，使用德国EOS M280激光成形设备，考察了激光参数、粉末粒度、扫描时间间隔等对成型件质量的影响，通过合理的粉末和工艺优化制备出纯镁块体。分析了SLM成型过程中的一些异常现象及成形件缺陷的产生原因，研究了最优工艺下块体件的组织性能。采用电化学方法对SLM成形块体纯镁在仿生溶液中的腐蚀行为进行了初步探索，得到了以下几个主要成果：
　　①对SLM成型的主要工艺条件进行了研究，重点分析了激光功率和扫描速率这两个因素对成型过程及成形件的影响，获得了一套优化的工艺参数，首次成功制备出SLM成型纯镁块体。
　　②首次研究了扫描时间间隔（STI）对SLM成形镁块体质量的影响规律。发现STI为50s时，试样表面质量最优，具有最低的表面粗糙度和最高的显微硬度。
　　③发现粉末粒度对纯镁的SLM成形具有很大影响。采用-250目粉末比采用-400目粉末制备的成形块体样表现出更好的表面质量、更高致密度和显微硬度。
　　④ SLM成形块体组织存在明显的方向性，且与激光扫描策略有关。显微硬度相比铸态试样提高了约45％。
　　⑤通过电化学测试发现SLM成形纯镁在仿生环境中的自腐蚀电位高于铸态，但其腐蚀电流密度也高于铸态材料。

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英文摘要

目录

1 绪 论

1.1 镁及镁合金的研究现状

1.2 SLM的研究现状

1.3 课题的研究意义、内容及目的

2 实验材料、设备及方法

2.1 技术方案

2.2 实验材料、试剂及设备

2.3 实验方法

3 纯镁粉末的SLM工艺优化

3.1 SLM激光工艺参数优化

3.2 纯镁粉末粒度的影响

3.3 扫描时间间隔对纯镁的SLM工艺的影响

4 纯镁SLM成形的主要缺陷及机理分析

4.1 铺粉性能

4.2 粘粉现象

4.3 粉末飞溅现象

4.4 氧化

4.5 球化现象

5 SLM成形最优试样组织性能分析

5.1 基板过渡层组织性能分析

5.2 SLM块体纯镁组织性能分析

5.3 XRD物相分析

5.4 致密度测试

5.5 SLM样不同表面显微硬度测试

5.6 电化学腐蚀性能测试

6 结 论

致谢

参考文献

附录

A 作者在攻读学位期间的科研成果目录

B.作者在攻读学位期间参与的科研项目