医用钴基合金直接金属沉积成型过程与组织性能研究

摘要

近年来，随着人们生活水平的不断改善、提高以及平均寿命的延长，对生物医用材料的需求快速增长，医用钴基合金因其具有优异的耐腐蚀性能、耐磨损性能、杨氏模量不随其强度变化而变化等优良的力学性能以及热膨胀系数较低，热导率高，生物相容性好的特点，在医用植入材料中得到了普遍的使用，是目前应用范围最广、具有代表性的生物体医用金属材料。 激光直接沉积成型技术较好地结合了CAD技术、计算机控制技术、激光快速熔凝技术、增材制造技术等先进技术，具有工艺简单、加工周期短等无可比拟的优势，正在快速的改变人们的传统生活和生产方式。生物医用材料大多需要针对个体实现个性化的设计与制作，由于传统锻造或铸造等制备方法很难实现，容易产生长周期和高成本等问题。因此，具有高度柔性化特点的直接沉积成型技术逐渐引起了医学领域的关注，该方法解决了传统技术制备复杂零件时得到高性能、高精度的植入体，同时满足高柔性和快速反应的难题，使得数字化和无模化的个性化修复体的设计和制作成为可能，明显的提高了效率及质量，为高性能生物医用金属材料的制备提供了一条重要途径。 本文主要研究了不同的成型工艺参数对钴基合金成型工艺过程和组织性能的影响，采用光学显微镜、扫描电镜、透射电镜、XRD、显微维氏硬度计和电化学等分析手段，对实验制备的样品的组织结构和性能等进行了系统研究。研究结果表明: 薄壁墙成型性良好，无气孔和裂纹等缺陷，致密度高，达到99％左右，采用不同的激光功率、扫描速度和送粉量，其组织均为等轴晶和柱状枝晶，通过良好的工艺参数能获得枝晶生长方向一致，组织细小且均匀，其中功率为700W，扫描速度为540mm/min，主轴转速为750r/min时组织相对细小均匀，硬度值相对较高，为380HV左右，力学性能优异，平均抗拉强度在860.27MPa，平均屈服强度835.91MPa，平均抗压强度为1800MPa，平均延伸率为19.97％，与传统的铸造钴铬合金相比激光直接沉积成形Co-Cr合金强度高、塑性较好，耐蚀性能优异，满足医用材料的要求，适合临床上应用。 块体试样成型过程中有裂纹存在，通过在基体上增加预热装置进而降低温度梯度解决了裂纹问题，研究了不同扫描方式对成型质量及组织的影响。采用层间正交平行往复扫描方式成型质量好，无裂纹缺陷，组织均匀细小，性能优良。 沉积方式不同对成型质量和组织有明显影响，其中纵向沉积试样枝晶生长方向与拉伸方向相同，强度高，塑韧性好，为韧性断裂;横向沉积试样组织杂乱且有显微裂纹存在，强度低塑性差，为脆性断裂。 固溶和时效处理之后组织均匀长大，硬度下降到330HV左右，力学性能方面总体来说强度有所下降，韧性有很大的提高，横向试样和纵向试样相比热处理之后依然是纵向沉积试样力学性能优良。

目录

声明

摘要

1．1研究背景与意义

1．2激光快速成型与直接制造技术概述

1．2．1激光快速成型原理

1．2．2激光快速成型特点

1．2．3激光快速成型应用

1．3钴基合金概述

1．3．1钴基合金特点与分类

1．3．2钴基合金的制备方法

1．3．3钴基合金的应用

1．4国内外激光直接成型技术制备钴基合金研究现状和发展前景

1．4．1研究现状

1．4．2发展前景

1．5选题目的与研究内容

2．1实验材料

2．2实验样品的制备

2．2．1激光器设备

2．2．2快速成型样品的制备

2．2．3热处理设备及工艺

2．3检测分析方法

2．3．1致密度测量

2．3．2显微组织分析

2．3．3 X射线衍射分析

2．3．4硬度分析

2．3．5机械性能测试

2．3．5耐蚀性测试

第3章DMD成型试样工艺研究

3．1．1单道成型工艺研究

3．1．2薄壁墙成型工艺研究

3．1．3块体成型工艺研究

3．2 DMD成型试样显微组织与物相分析

3．2．1薄壁墙组织分析

3．2．2块体试样组织与物相分析

3．3本章小结

第4章DMD成型试样力学性能研究

4．1薄壁墙力学性能研究

4．1．2显微硬度分析

4．1．3拉伸性能

4．2块体力学性能研究

4．2．1显微硬度

4．2．2拉伸性能

4．2．3压缩性能

4．2．4冲击性能

4．3 DMD试样耐蚀性能

4．4本章小结

第5章热处理后试样组织与性能研究

5．1热处理对组织的影响

5．2热处理对显微硬度的影响

5．3热处理对拉伸性能的影响

5．4热处理对压缩性能的影响

5．5热处理对冲击性能的影响

5．6本章小结

第6章结论

参考文献

致谢