激光选区熔化成形医用b4cti复合材料摩擦性能研究(附件)
本课题借助于激光3D打印技术，选择高性能B4C陶瓷作为增强相，成形高耐磨性B4C/ Ti复合材料，来提高钛合金在复杂的人体生理条件下的耐磨性。主要研究激光功率及扫描速度对复合材料的致密度、显微组织及腐蚀磨损性能的影响规律，具体研究结论如下随着激光功率的增加，表面质量逐渐提升，孔隙逐渐减少，致密度显著提升，摩擦系数逐渐减小，磨损率逐渐下降。但当功率增大到300 W时，表面质量下降，孔隙增多，致密度下降，磨损率增大。随着扫描速度的增加，表面质量逐渐下降，表面出现较多孔隙，致密度也随之明显下降，摩擦系数逐渐增大，磨损率逐渐下降。关键词 激光选区熔化，碳化硼，腐蚀磨损，复合材料，原位反应
目 录
1 绪论 1
1.1 引言 1
1.2 陶瓷增强钛基复合材料的研究现状 1
1.3 激光选区熔化钛基复合材料研究现状 5
1.4 研究内容 7
2 实验方法及设备 7
2.1 实验材料 7
2.2 Ti/B4C混合粉末的制备 8
2.3 试样的制备 8
2.4 Ti/B4C复合材料的表征 9
3 实验结果与分析 12
3.1 不同激光功率对激光选区熔化B4C/Ti复合材料组织及性能影响 12
3.2 不同扫描速度对激光选区熔化B4C/Ti复合材料组织及性能影响 18
结论 24
致谢 25
参考文献 26
1 绪论
1.1 引言
钛和钛合金骨植入物因其良好的生物相容性，机械性能，耐腐蚀性和可加工性而被广泛用于临床。但因其缺乏优异的耐磨性、抗疲劳性等，易在人体服役过程中产生磨屑而引起其周围人体组织的感染，导致其过早失效。陶瓷具有优良的力学性能，耐磨性等特性，是提高医用钛合金骨植入体耐磨性的有效途径。本课题借助于激光3D打印技术，基于碳化硼优异的力学性能，成形高耐磨性碳化硼陶瓷增强钛基复合材料，以提升钛合金在人体复杂生理条件的耐磨性能，为高性能钛合金骨植入体的应用提供理论基础。
意义：通过本文系统的理论基础研究，采用激光选区熔化技术，原位生成陶瓷相增强钛合金材料，进一步改善医用钛合金材料的腐 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072^
蚀磨损性能。
钛合金是一种新型材料，是在钛材里面加入其他合金元素而形成的。其高耐热性，良好的耐腐蚀性和比强度被广泛应用于各个领域。钛合金由于其优异的综合性能而广泛用于造船，航空航天，化工生产等领域，特别是在临床医学应用领域。
医用钛合金对提高人类生活质量方面发挥了巨大的作用，尤其是在医学领域。比如制造人体髋关节、胁关节、主动心瓣、骨骼固定夹等。但是，当钛合金植入人体时，在体液中会发生腐蚀、磨损和血液相容性不够等情况。这些缺陷使金属材料的机械和力学性能降低，周围的一些组织会因此产生副作用。所以，对于在人体的安全使用方面，医用材料的研究很有必要。
1.2 陶瓷增强钛基复合材料的研究现状
增强复合材料一般强度较高、密度较低、弹性模量较高，加入钛合金基体后，可以使材料的比模量、比强度和高温蠕变性能得到提升。还可以提高钛合金的耐磨性和耐腐蚀性，能够在耐磨、耐蚀方面满足航空航天工业的发展。
1.2.1 陶瓷增强基体材料种类
连续纤维增强陶瓷基复合材料有许多基体材料，与纤维表面的相容性是衡量其质量的重要指标之一。还要考虑其挥发性、弹性模量、抗变化性和抗氧化性。 基体材料主要有以下3类：
第1类是玻璃和玻璃陶瓷基材，特别是Nicalon纤维不会受到热损伤，所以它具有很高的强度保留率，在制备过程中可通过基体的粘性流动进行致密化，增韧效果良好，然而，其最大的缺点是由于存在玻璃相而容易发生高温蠕变。?目前，此类基体主要有：BS（硼硅酸盐）玻璃、CAS（铝硅酸钙）玻璃、MAS（镁铝硅酸盐）玻璃、LAS（铝硅酸锂）玻璃和石英玻璃。
第2类是氧化物基体：这种陶瓷材料在20世纪60年代以前被广泛使用。 主要有Al2O3、SiO2、ZrO2和莫来石等； 近年来，钇铝石榴石、ZrO2Al2O3、ZrO2TiO2等不断开发。在高温氧化环境下，纤维易发生热降解和化学降解，易与氧化物基体反应。因此，这些材料不适合高温和高应力环境。
第3类是非氧化物基体，主要指Si3N4陶瓷和SiC陶瓷，因为它们具有高耐磨性，强度和优异的高温性能。与金属材料相比，它密度较低，因此这类基材已引起人们的关注。例如，用化学气相渗透CV法制备的Nicalon纤维增韧碳化硅复合材料的弯曲强度为600MPa，断裂韧性达到27.7MPa。
1.2.2 常用陶瓷增强金属基复合材料制备工艺
(1)粉末冶金法
粉末冶金是目前有前途的方法，也是研究最多的，包括冷等静压和热等静压。将混合粉末与钛合金粉末均匀混合，然后通过压制、真空烧结、冷等静压或热等静压在模具中获得复合材料。烧结产品可以使用挤出、锻造、轧制或热处理工艺进一步致密化来改善其机械性能。
在制备钛基复合材料时，由于热力学稳定的陶瓷增强相，传统的粉末冶金工艺难以与高活性钛合金基体形成良好的化学和冶金结合。因此，复合材料的力学性能不能满足要求。在原位合成（InSitu）中，增强相由材料制备过程中原料之间的化学反应合成。因此，在增强相与基体界面处不存在杂质，界面相对清洁，增强相与基体界面良好结合。 表现出较好的高温稳定性。工艺简单，合成材料性能优良，引起了研究人员的兴趣。
(2)合成法
Kobayahi M等用反应烧结原位合成法得到致密度抵达92%的针状TiB弥散钛基复合原料。研究表明，材料的致密度随着TiB体积分数的增加不断下降。样品的耐磨性能和压缩强度、硬度均随增强相体积分数的增大而增加，如下图所示：
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图1.1 致密度变化关系
目 录
1 绪论 1
1.1 引言 1
1.2 陶瓷增强钛基复合材料的研究现状 1
1.3 激光选区熔化钛基复合材料研究现状 5
1.4 研究内容 7
2 实验方法及设备 7
2.1 实验材料 7
2.2 Ti/B4C混合粉末的制备 8
2.3 试样的制备 8
2.4 Ti/B4C复合材料的表征 9
3 实验结果与分析 12
3.1 不同激光功率对激光选区熔化B4C/Ti复合材料组织及性能影响 12
3.2 不同扫描速度对激光选区熔化B4C/Ti复合材料组织及性能影响 18
结论 24
致谢 25
参考文献 26
1 绪论
1.1 引言
钛和钛合金骨植入物因其良好的生物相容性，机械性能，耐腐蚀性和可加工性而被广泛用于临床。但因其缺乏优异的耐磨性、抗疲劳性等，易在人体服役过程中产生磨屑而引起其周围人体组织的感染，导致其过早失效。陶瓷具有优良的力学性能，耐磨性等特性，是提高医用钛合金骨植入体耐磨性的有效途径。本课题借助于激光3D打印技术，基于碳化硼优异的力学性能，成形高耐磨性碳化硼陶瓷增强钛基复合材料，以提升钛合金在人体复杂生理条件的耐磨性能，为高性能钛合金骨植入体的应用提供理论基础。
意义：通过本文系统的理论基础研究，采用激光选区熔化技术，原位生成陶瓷相增强钛合金材料，进一步改善医用钛合金材料的腐 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072^
蚀磨损性能。
钛合金是一种新型材料，是在钛材里面加入其他合金元素而形成的。其高耐热性，良好的耐腐蚀性和比强度被广泛应用于各个领域。钛合金由于其优异的综合性能而广泛用于造船，航空航天，化工生产等领域，特别是在临床医学应用领域。
医用钛合金对提高人类生活质量方面发挥了巨大的作用，尤其是在医学领域。比如制造人体髋关节、胁关节、主动心瓣、骨骼固定夹等。但是，当钛合金植入人体时，在体液中会发生腐蚀、磨损和血液相容性不够等情况。这些缺陷使金属材料的机械和力学性能降低，周围的一些组织会因此产生副作用。所以，对于在人体的安全使用方面，医用材料的研究很有必要。
1.2 陶瓷增强钛基复合材料的研究现状
增强复合材料一般强度较高、密度较低、弹性模量较高，加入钛合金基体后，可以使材料的比模量、比强度和高温蠕变性能得到提升。还可以提高钛合金的耐磨性和耐腐蚀性，能够在耐磨、耐蚀方面满足航空航天工业的发展。
1.2.1 陶瓷增强基体材料种类
连续纤维增强陶瓷基复合材料有许多基体材料，与纤维表面的相容性是衡量其质量的重要指标之一。还要考虑其挥发性、弹性模量、抗变化性和抗氧化性。 基体材料主要有以下3类：
第1类是玻璃和玻璃陶瓷基材，特别是Nicalon纤维不会受到热损伤，所以它具有很高的强度保留率，在制备过程中可通过基体的粘性流动进行致密化，增韧效果良好，然而，其最大的缺点是由于存在玻璃相而容易发生高温蠕变。?目前，此类基体主要有：BS（硼硅酸盐）玻璃、CAS（铝硅酸钙）玻璃、MAS（镁铝硅酸盐）玻璃、LAS（铝硅酸锂）玻璃和石英玻璃。
第2类是氧化物基体：这种陶瓷材料在20世纪60年代以前被广泛使用。 主要有Al2O3、SiO2、ZrO2和莫来石等； 近年来，钇铝石榴石、ZrO2Al2O3、ZrO2TiO2等不断开发。在高温氧化环境下，纤维易发生热降解和化学降解，易与氧化物基体反应。因此，这些材料不适合高温和高应力环境。
第3类是非氧化物基体，主要指Si3N4陶瓷和SiC陶瓷，因为它们具有高耐磨性，强度和优异的高温性能。与金属材料相比，它密度较低，因此这类基材已引起人们的关注。例如，用化学气相渗透CV法制备的Nicalon纤维增韧碳化硅复合材料的弯曲强度为600MPa，断裂韧性达到27.7MPa。
1.2.2 常用陶瓷增强金属基复合材料制备工艺
(1)粉末冶金法
粉末冶金是目前有前途的方法，也是研究最多的，包括冷等静压和热等静压。将混合粉末与钛合金粉末均匀混合，然后通过压制、真空烧结、冷等静压或热等静压在模具中获得复合材料。烧结产品可以使用挤出、锻造、轧制或热处理工艺进一步致密化来改善其机械性能。
在制备钛基复合材料时，由于热力学稳定的陶瓷增强相，传统的粉末冶金工艺难以与高活性钛合金基体形成良好的化学和冶金结合。因此，复合材料的力学性能不能满足要求。在原位合成（InSitu）中，增强相由材料制备过程中原料之间的化学反应合成。因此，在增强相与基体界面处不存在杂质，界面相对清洁，增强相与基体界面良好结合。 表现出较好的高温稳定性。工艺简单，合成材料性能优良，引起了研究人员的兴趣。
(2)合成法
Kobayahi M等用反应烧结原位合成法得到致密度抵达92%的针状TiB弥散钛基复合原料。研究表明，材料的致密度随着TiB体积分数的增加不断下降。样品的耐磨性能和压缩强度、硬度均随增强相体积分数的增大而增加，如下图所示：
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图1.1 致密度变化关系
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