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强度提升40%:新型多孔钛合金冷喷涂技术制备成果


 

多孔钛合金材料能做什么?如何制造它?这可以由美国康奈尔大学以及麻省理工等高校合作项目研究小组最新开发的3D打印(冷喷涂)技术来给出答案。该项研究在今年11月9日,以“超音速冲击3D打印制备多孔钛合金”为题,发表在“AppliedMaterials Today.”《今日应用材料》期刊上。

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这张图片显示了细胞粘附在一种由冷喷涂3D打印而成的钛合金上,这表明了这种材料的生物相容性。

介于本公号读者普遍的知识结构,冷喷涂和3D打印等基础概念都不再赘述。简单地说,这项技术主要利用粉体超音速冲击形成固态键合,在远低于融融温度工况下生产出高强度多孔钛合金,并可以通过后热处理进一步提升机械性能,最终将其应用于骨科移植等领域。如上图所示。

通常的金属3D打印会由于粉体逐层熔化和凝固的高温加工影响,导致残余应力大、力学性能差。冷喷涂技术可以弥补这个缺陷,通常粉体会在临界速度(形成致密固体的速度)和侵蚀速度(超速则会使粉体破碎而无法进行结合)之间选择一个最佳速度,通过喷嘴发射到基板上。“类似于作画,但3D打印会堆积更多。”

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本次研究团队则通过流体力学运算,确定了一个略低于钛合金临界速度的速度(约600m/s),利用高应变速率动态打印粒径45到106μm之间的Ti-6Al-4V粉体,最终制造出比其他3D打印钛合金强度提升42%的多孔结构材料(表观模量51.7±3.2gpa,表观抗压屈服强度535±35mpa,孔隙率30±2%)。

虽然这个过程在技术上被称为冷喷涂,但它确实涉及一些热处理。当这些粒子碰撞并结合在一起后,研究人员再加热金属,使这些成分相互扩散,像均匀的物质一样沉淀下来。

研究人员提到,“如果我们用这种多孔结构制作植入物,并将其植入人体,骨骼就可以在这些孔隙内生长并进行生物固定。”,“这有助于降低植入物松动的可能性。这是件大事。有很多患者必须再次手术移除植入物,因为植入物松动,会引起很大的疼痛。”

除了该项目所专注的骨科移植,从本质上讲,任何能承受塑性变形的金属材料都可以从这一过程中受益。它为更大规模的工业应用,如建筑、运输和能源,带来了许多机遇。

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