激光增材制造多孔镁合金成形工艺及组织性能研究

来源 :苏州大学 | 被引量 : 6次 | 上传用户:Wangqiling1116
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镁合金以其优异的力学相容性、生物相容性以及可生物降解等特性而成为一类非常有前景的生物医用材料。人骨是多孔的,作为骨组织工程材料,多孔镁合金具有很好的研究和应用前景。目前多孔镁合金的制备方法主要包括熔模铸造法、粉末冶金法、熔体发泡法等,而激光增材制造技术作为一种新型的快速成形技术,可以直接成形个性化的高性能复杂零部件。现有的关于激光增材制造制备镁合金的研究主要集中在密实镁合金,关于激光增材制造多孔镁合金还没有系统的研究报道。因此,很有必要进一步对激光增材制造多孔镁合金的成形工艺及组织性能进行系统的研究,为其将来在医学领域的应用打下基础。本文采用激光增材制造技术制备了多孔Mg-Ca合金以及多孔Mg-Zn-Zr合金。针对Mg-Ca合金,系统研究了激光工艺参数对多孔Mg-Ca合金的表面形貌、孔隙率、显微组织以及力学性能的影响。结果表明多孔Mg-Ca合金的孔隙率和表面形貌取决于激光能量输入,试样的总孔隙率在6.68%37.26%。激光增材制造多孔Mg-Ca合金有着层层搭接的熔覆线以及周期性的形貌特征,随着远离熔池,晶粒从等轴晶向柱状晶转变且晶粒尺寸增大。相对于铸造Mg-Ca合金,激光增材制造多孔Mg-Ca合金的晶粒明显细化且所有试样均只含有α-Mg基体和少量的MgO相。激光增材制造多孔Mg-Ca合金的显微硬度在6068 HV之间,相比于传统铸造纯Mg的硬度得到了显著的提升,其主要强化机制为细晶强化和固溶强化。多孔Mg-Ca合金的抗压强度为5.18111.19 Mpa,弹性模量为0.5181.264 Gpa且随着激光能量输入增加,试样孔隙率减小,压缩性能增强。对于Mg-Zn-Zr合金,首先研究了激光增材制造多孔ZK61合金的工艺参数,然后系统研究了Zn含量对多孔Mg-Zn-Zr合金的显微组织、力学性能以及电化学腐蚀性能的影响。结果表明,与多孔Mg-Ca合金类似,多孔ZK61合金的表面形貌和孔隙率仍然取决于激光增材制造过程中的激光能量输入。试样的总孔隙率在21.90%44.85%,当能量密度在10191146 J/mm3时,可以获得成形质量较高的多孔ZK61合金。在能量密度为1146 J/mm3时对不同Zn含量的激光增材制造多孔Mg-Zn-Zr合金(Mg-5.2%Zn-0.3%Zr,Mg-15%Zn-0.3%Zr,Mg-30%Zn-0.3%Zr)进行了制备。随着Zn含量的增加,多孔Mg-Zn-Zr合金的表面质量下降,晶粒得到明显细化且析出相经历了以下的变化:MgZn→MgZn+Mg7Zn3→Mg7Zn3。同时,多孔Mg-Zn-Zr合金的显微硬度显著提升,从57.67 HV增至109.36 HV,这是由细晶强化、固溶强化以及析出强化共同造成的。试样的压缩性能随着Zn含量的增加先提高后降低(Zn含量为15 wt.%压缩性能达到最大值)。多孔Mg-Zn-Zr合金的耐腐蚀性能明显不如铸造纯Mg且随着Zn含量的增加而变差。
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