Zr基非晶合金的3D打印成型及其力学性能与生物相容性研究

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Zr基非晶合金具有强度高、弹性极限高、弹性模量低等优异的力学性能及较好的耐腐蚀性能,并且具有良好的生物相容性。但其存在成型尺寸有限,成型方法单一,对于复杂形状构件的加工成型十分困难的问题。3D打印作为近几年兴起的先进制造技术,样品的成型尺寸和形状不受限制,为上述问题的解决提供了一种新的途径。本文通过小型金属粉末真空雾化装置制备了Zr60.14Cu22.31Fe4.85Al9.7Ag3非晶合金粉末,采用选择性激光熔化(SLM)技术实现了Zr60.14Cu22.31Fe4.85Al9.7Ag3非晶合金的3D打印成型,确定了最优的3D打印工艺参数。利用X射线衍射仪(XRD)、差示扫描量热法(DSC)、光学显微镜(OM)、扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)、X射线断层扫描(XRT)、万能试验机、摩擦磨损试验机、电化学工作站、电感耦合等离子体质谱(ICP-MS)、细胞增殖、细胞形貌观察、抗菌实验等实验手段系统研究了3D打印样品的结构特征、力学性能、摩擦性能、腐蚀性能、生物相容性及抗菌性。结果表明,3D打印非晶合金的非晶含量为94.7±0.6%,致密度达到99.78%,孔径主要在50μm以下;对于Φ3mm×6mm试样,压缩强度为1770±17 MPa,塑性0.46±0.03%,断裂韧性KQ 36.3±1.9 MPa m1/2,与同成分铸态非晶合金相比,断裂强度基本保持不变,塑性略有减小,断裂韧性下降较为明显,分析认为这主要是由于热影响区内存在少量晶化。与Ti6Al4V合金相比,3D打印非晶合金在干态条件下明显具有更为优异的摩擦性能,在SBF溶液中,3D打印非晶合金的摩擦系数及磨损速率略高于Ti6Al4V合金。极化曲线测试表明3D打印非晶合金的点蚀电位有些下降,钝化区间有所减小,但具有更低的钝化电流密度,有利于钝化膜在其表面形成,同时浸泡实验显示3D打印样品的离子析出浓度远低于临界值,反映出其较好的腐蚀性能及对人体的安全性。此外,与Ti6Al4V合金相比,3D打印非晶合金更有利于细胞的增殖,且细胞在其表面呈现均匀粘附的形貌,意味着其具有良好的生物相容性,同时3D打印非晶合金对细菌具有一定的抑制作用,表明其具有一定的抗菌性,这主要是由于该体系中含有少量的抗菌元素Ag。最后,我们制备出具有多孔构型的非晶合金生物构件,发现多孔结构在降低弹性模量的同时,依然保持了较高的强度,并且非常有利于细胞的增殖。
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