电弧3D打印TC4钛合金的组织与性能研究

采用冷金属过渡(Cold metal transfer,CMT)焊接技术制备了TC4钛合金件,研究了TC4钛合金增材体的显微组织和力学性能。结果表明:TC4钛合金打印态的表面成形良好,电弧3D打印TC4钛合金高度方向宏观组织上为外延生长的粗大β柱状晶形态,组织由α相和β相组成。增材体的顶部为针状马氏体区,中部为细小的层片状网篮组织,基材结合处主要由层片状组织、β相以及少量残余α'相组成。所制备的成形件硬度较基材的高,表层部分硬度最大。室温拉伸性能呈现出明显的各向异性,水平方向拉伸强度较高,沿增材高度方向的塑性较高。室温冲击韧度未呈现出明显的各向异性,Aku2均达到70 J/cm2。

激光3D打印TC4钛合金工件根部裂纹成因分析

激光3D打印TC4钛合金工件的根部出现了裂纹。通过分析裂纹的微观特征以及工件的残余应力,分析了裂纹产生的主要原因。结果表明:以高速、微层、微区连续熔凝为特征的激光3D打印,其热输入量较小,打印层对已成型层的退火作用小,导致激光3D打印TC4钛合金工件外表面出现严重的拉应力,最大值达到了640 MPa;同时3D打印过程中存在的飞溅、咬边和熔道不连续等缺陷,会影响下一层铺粉厚度和密度的均匀性,导致微观缺陷的产生,或使得打印工件的性能在微观上不均匀;微观分析显示,裂纹起源和终止于微缺陷处,在扩展过程中有向微缺陷处发展的特征;预热温度不够、严重的残余拉应力、微观缺陷或性能不均匀的共同作用,是导致激光3D打印TC4钛合金工件根部出现裂纹的主要原因。

3D打印TC4钛合金粉末制备方法及组织性能研究

3D打印技术是一种快速成型技术,钛及钛合金由于具有优异的物理、化学和力学性能,广泛应用于多个领域,钛及钛合金粉末是3D打印重要的原料。介绍了制备钛及钛合金粉末的几种主要方法,重点阐述了等离子旋转电极雾化法制备钛合金粉末的原理,并对其微观组织演变规律和热处理方法进行了研究。研究结果表明,此方法制备的TC4钛合金粉末,易获得近球形的颗粒粉末,表面光洁,流动性好,具有良好的粉末特征;钛合金的显微组织由粗大柱状晶组成,柱状晶沿着堆积层的方向生长,由于温度梯度的影响,远离基材区域的晶粒尺寸大于靠近基材区域的晶粒尺寸,原始柱状晶的内部微观组织由细针状α相马氏体组成。采用固溶+时效热处理,加以空冷的冷却方式,使得在970℃/AC/1h+540℃/AC/4h条件下形成的网篮组织,强度和塑性都较好,其性能满足TC4合金3D打印要求。

3D打印TC4钛合金的成形工艺与热处理行为研究

采用同轴送粉的沉积方式进行了3D打印TC4钛合金的研究,分析了激光功率、扫描速度、扫描方向以及固溶时效热处理工艺对TC4钛合金组织和力学性能的影响,并分析了其作用机理。结果表明:不同激光功率下TC4钛合金的宏观组织都为定向外延生长的粗大β柱状晶形态;当扫描速度从0.12 m/min增加至0.60 m/min时,柱状晶的宽度呈现逐渐减小的趋势,而柱状晶高度逐渐增加,且随着扫描速度的增加,柱状晶与扫描方向的夹角逐渐增大;单向扫描时TC4钛合金的柱状晶呈现定向外延生长趋势,而往返扫描时TC4钛合金的柱状晶由定向生长转变为双相生长,且沉积层间还出现了一定数量的等轴晶。3D打印TC4钛合金的强度都超过国标对铸件和锻件退火态TC4钛合金的要求,但是断后伸长率较低;经过固溶和时效热处理后,TC4钛合金的强度略有降低而断后伸长率明显提高,主要原因与沉积态魏氏组织转变为热处理态网篮组织有关。

基于钛合金(TC4)材料的义齿逆向设计及3D打印技术分析

3D打印技术为义齿的设计和制造带来了新的思路和方法。逆向设计是3D打印技术的核心之一,可以根据患者的口腔模型反推设计方案,以确保义齿在功能、美学和稳定性等方面符合患者的需求。此外,3D打印技术还可以实现个性化制作,满足患者个体化需求。因此,对基于钛合金(TC4)材料的义齿逆向设计及3D打印技术进行了分析和研究。

3D打印钛合金的制备与组织性能研究

采用3D打印的方法制备了不同C含量(质量分数)的Ti-4Al-3V-x C钛合金(x=0,0.12,0.23,0.39和0.62),对比分析了不同C含量钛合金的显微组织、硬度、蠕变性能和拉伸性能。结果表明,添加C的钛合金的硬度和弹性模量都高于未添加C的钛合金,且随着C含量从0.12%增加至0.62%,含C钛合金的硬度和弹性模量逐渐增加;随着保压时间的延长,不同C含量的钛合金的蠕变深度都呈现逐渐增加的趋势,但是在相同保压时间下,含C钛合金的蠕变深度都小于不含C钛合金,且C含量越高则钛合金的蠕变深度越小。含C钛合金的抗拉强度和屈服强度都高于不含C钛合金,而断后伸长率都低于不含C钛合金,尤其是当C含量增加至0.39%及以上时,含C钛合金的断后伸长率下降较为明显。当C含量为0.23%时,3D打印钛合金的抗拉强度、屈服强度和断后伸长率高于铸造TC4钛合金和锻态TC4钛合金,具有相对较好的综合性能。

3D打印梯度多孔钛合金支架表面纳米结构化改性

通过3D打印技术制备具有梯度结构的微米级多孔钛合金支架,解决了不同患者对骨缺损修复支架的个性化需求。然而,由于钛合金本身的生物惰性,多孔钛合金支架植入人体后骨整合能力较差。为提高支架的生物活性,采用电化学阳极氧化对多孔支架表面进行纳米结构化改性。本文探究了氧化电压、氧化时间和电解液对梯度多孔钛合金表面制备TNTs(二氧化钛纳米管)的影响规律。结果表明,采用两次阳极氧化的方法,电解液为0.3wt%氟化铵+2vol%去离子水+1.5mol/L乳酸的乙二醇溶液,氧化电压为100 V,氧化时间为1 h时,可在支架表面制备出形貌高度有序的TNTs涂层。对氧化处理后的多孔钛合金支架进行500℃退火处理,表面TNTs涂层的晶型结构由无定型结构转变为更有利于蛋白吸附和细胞增殖的锐钛矿和金红石的混合晶型结构。通过电化学腐蚀试验发现经过阳极氧化处理的多孔钛合金支架具有更好的耐腐蚀性。

热处理技术对3D打印钛合金试件机械性能的影响

背景:近年来,增材制造(又称3D打印)逐渐成为制作可摘局部义齿钛合金支架的主流方式。热处理作为改善3D打印钛合金支架机械性能的重要方法而成为目前的关注热点。目的:总结目前应用于3D打印钛合金试件的主要热处理技术(包括退火处理、固溶时效处理、热等静压处理及其他热处理)以及这些热处理技术对3D打印钛合金试件机械性能、微观结构的影响,为改进可摘局部义齿钛合金支架的热处理技术提供理论依据。方法:采用计算机检索中国知网、PubMed和ScienceDirect数据库中有关3D打印钛合金热处理试件的文献资料,检索时限为2012-2023年,根据纳入和排除标准,最终选取61篇文献进行综述分析。结果与结论:①使用常规退火技术处理3D打印钛合金试件,使其在500-900℃下保持2-4 h,能有效增加3D打印钛合金试件的延伸率。②固溶时效处理相较于常规退火技术更复杂,固溶时效处理后的钛合金试件在屈服强度方面表现突出,并且有更好的耐腐蚀性;但固溶时效处理后的3D打印钛合金试件在延伸性方面没有优势。③热等静压处理可以减少3D打印钛合金试件的内部缺陷,可明显增加3D打印钛合金试件延伸率,并增加其疲劳寿命。④快速热处理可以明显提高3D打印钛合金试件的延伸率,并且速度更快,在延伸率提升和热处理效率方面,比以往常规的退火更具优势。⑤循环热处理对3D打印钛合金试件延伸率的提升超过了常规退火,循环热处理可明显改善3D打印钛合金试件的晶粒结构,但热处理时间过长,效率较低。

3D打印多孔钛合金支架的研究进展

医用钛合金凭借良好的生物相容性,优秀的机械强度和耐腐蚀性成为骨科修复领域应用最广泛的植入材料之一[1-2]。然而传统致密钛合金植入物的弹性模量远高于人体骨组织,由此产生的应力屏蔽效应使周围骨质长期处于较低的应力水平而逐渐被吸收,最终引发植入物无菌性松动[3]。研究表明,通过3D打印制备多孔支架是消除这种弹性模量不匹配的有效方法[4]。多孔支架能促进骨长入和骨整合,使骨和多孔结构之间形成机械连锁来提高固定效果[3],但促进其成骨的最佳孔隙尺寸目前尚无统一标准[5]。

3D打印生物医用钛合金粉末研究进展

钛合金具有优异的力学性能和良好的生物相容性,在硬组织植入方面应用广泛。介绍了目前常用钛合金粉末制备方法(气体雾化法、等离子旋转电极法、等离子体雾化法等)的原理和工艺特点,比较了不同方法制备出粉末的性能特点,以期为3D打印制造出性能优异的医用钛合金种植体提供思路。

挤出成形3D打印仿生骨植入钛合金支架制备工艺及性能研究

采用万能试验机和扫描电子显微镜研究了挤出成形3D打印Ti6Al4V钛合金支架的制备工艺、力学性能及微观结构,介绍了采用聚乙烯醇(PVA)水凝胶制备钛合金支架的方法,研究了浆料PVA含量、脱脂温度和烧结温度对制备工艺的影响规律,分析了钛合金支架孔隙率与力学性能的关系。结果表明:采用PVA水凝胶制备钛合金支架可以获得分布均匀且高度互联的多孔结构,当浆料PVA质量分数为15%,脱脂温度和烧结温度分别设定为360℃和1300℃时,制备工艺最佳。孔隙率为59.8%的钛合金支架表现出与人体骨骼相匹配的力学性能,可避免应力遮蔽效应。

个性化3D打印钛合金舟骨部分置换术后有限元模型的建立及生物力学分析

目的建立腕关节三维有限元模型,研究个性化3D打印舟骨部分置换术后腕关节及假体在不同角度运动中的应力分布和形变,为假体设计与优化提供依据,为临床应用提供生物力学支持。方法导入1例左腕舟骨骨折伴骨缺失患者的腕关节CT数据及个性化3D打印钛合金舟骨部分置换假体数据,建立有限元模型,分析不同运动方向腕关节整体形变、应力分布及假体与螺钉应力分布。结果随运动角度增加,腕关节整体形变与应力均有所增大,但无明显应力集中区、应力遮蔽等问题。假体应力集中在舟骨连接处,极度掌屈时最大(264.45 MPa);螺钉应力集中在腰部,极度尺偏时最大(116.13MPa),均未超材料强度。结论个性化3D打印钛合金舟骨部分置换术后,腕关节整体形变小、应力分布合理,无过度集中或遮蔽问题,最大应力远低于材料屈服强度。该手术方式可匹配患者解剖特征,具有良好生物力学性能,是治疗腕舟骨骨不连伴骨坏死的合适选择。

3D打印技术在钛及钛合金精密铸造工艺中的应用研究

钛及钛合金因其优异的机械性能、耐腐蚀性和生物相容性,在航空航天、生物医疗等领域具有广泛应用。然而,传统铸造工艺存在精度不高、成本较高等问题。3D打印技术提供了一种新的解决方案,能够实现复杂结构的快速成型,提高铸造精度,降低成本,缩短生产周期。本文对3D打印技术的含义和钛及钛合金材料特性进行了概述,并探讨了3D打印技术在钛合金精密铸造工艺中的应用情况。通过研究,为钛及钛合金精密铸造工艺的改进提供了新思路和方法,同时,分析了3D打印技术在钛及钛合金精密铸造工艺中的前景与挑战。

个性化3D打印钛合金填充块在复杂髋关节翻修术中应用的可行性及疗效

目的分析在复杂髋关节翻修重建中采用个性化3D打印钛合金填充块的可行性。方法选择2021年3月至2023年1月该院全髋关节置换术后需关节翻修的40例患者,将其分为3D打印组与对照组,各20例。3D打印组给予个性化3D打印钛合金填充块技术进行翻修治疗,对照组采用常规全髋关节翻修治疗,比较2组手术时间、术中出血量、髋关节功能评分、并发症。结果3D打印组手术时间[(120.56±8.13)min]、术中出血量[(312.57±24.65)mL]低于对照组[(132.67±8.27)min、(342.64±25.47)mL],差异均有统计学意义(t=5.720,P<0.001;t=4.647,P<0.001)。治疗后3D打印组髋关节功能评分[(87.69±6.35)分]高于对照组[(72.56±6.27)分],差异有统计学意义(t=9.286,P<0.001);并发症发生率(5.00%)低于对照组(20.00%),差异有统计学意义(χ^(2)=4.706,P=0.030)。结论个性化3D打印钛合金填充块在髋臼侧严重骨缺损髋关节翻修术中的应用效果突出,可节约手术时间,术中出血较少,患者术后髋关节功能改善明显,减少相关并发症的发生。

基于3D打印蜡模的钛合金铸件质量控制及工艺优化

3D打印技术关注度日增,制造业内的发展潜力不可估量。针对3D打印制造钛合金零件过程中易现的尺寸偏差、表面粗糙等问题,通过实验研究,推出了一项基于蜡模的质量控制处理及工艺优化方法。首先,用3D打印技术创建蜡模,接着采用蜡模进行砂型铸造。这样一来,就可规避直接使用3D打印制造金属零件可能出现的问题。根据实验结果,此种制造方式能有效提升铸件品质,减少尺寸差异,提升表面处理效果。基于蜡模,熔模铸造的工艺流程得以进一步改良,涵盖了温度管理和冷却速率等方面,以期提升铸件的内在属性指标,如机械性能及微观构造等。以此研究为基础,我们期望能推动3D打印与传统铸造工艺的结合,为复杂零件的制造提供新的解决方案,同时提高产品的质量和生产效率。

钛合金薄壁件3D打印工艺技术

针对钛合金薄壁零件在新品制造中,存在生产周期长、成本高、加工变形等诸多问题,通过对合金薄壁壳体零件采用3D打印制造技术,对3D打印毛坯设计、设备选择、成型过程控制、后续处理,以及后续机加进行引用研究。该研究应用对航空新品类似零件的生产加工有很好的使用和参考价值。

添加稀土元素的TC4钛合金激光焊接头纵向超塑性能研究

针对钛合金激光焊接接头超塑性能低的难题,提出在焊缝中以Yb_(2)O_(3)的方式添加稀土Yb元素,分析Yb_(2)O_(3)含量对TC4钛合金激光焊接头高温拉伸峰值流变应力、断后伸长率及组织的影响.结果表明,Yb_(2)O_(3)能够促进变形过程的组织等轴化进程,减小焊缝β晶粒尺寸和接头超塑性变形流变应力,并提高断后伸长率.随着Yb_(2)O_(3)含量增加,接头应力应变曲线下移,峰值流变应力呈先降低后升高的趋势,而断后伸长率则为先增大后减小.在超塑性变形过程中,Yb_(2)O_(3)含量6%时峰值流变应力最低为11.9 MPa,断后伸长率为572.3%;焊缝中心β晶粒尺寸最小为127μm,相较于未添加Yb_(2)O_(3)时β晶粒尺寸的337μm细化了62.3%.此时,马氏体组织发生相变,形态转变成片层,焊缝区域组织等轴化程度最高,焊缝的超塑性能最好.

3D打印Ti-6Al-4V骨盆假体的表征和生物相容性研究

骨折或骨组织病变引起的骨缺损的治疗一直是骨科领域的难题,植入高性能钛合金假体是治疗骨缺损的有效方法,3D打印技术可以制造多孔结构的低模量钛合金植入物,为上述问题提供较好的解决方案,这种技术设计便捷,在制作骨科植入物方面具有巨大优势。该文采用3D打印技术中的电子束熔融制造了2种Ti-6Al-4V假体样品,包括实体结构骨盆假体和多孔结构骨盆假体。假体力学性能的研究得出棒状拉伸试样的屈服强度和抗拉强度分别为894 MPa和956 MPa,而多孔骨盆假体的压缩模量和抗压强度分别为55 GPa和65.2 MPa。L929细胞毒性试验和MC3T3-E1细胞黏附试验的结果表明假体样品具有良好的生物相容性。采用新西兰大白兔制备股骨髁空腔缺损模型,并植入2种骨盆假体。植入4周后的显微CT扫描结果显示,骨钻引起的骨缺损已经愈合,骨盆假体的多孔结构在孔内形成了一种新的骨小梁结构。总之,3D打印的Ti-6Al-4V骨盆假体具有良好的力学性能,生物相容性和促进新骨生长能力。

TC4钛合金表面超音速火焰喷涂防护涂层及其摩擦学性能研究

目的改善钛合金零部件之间因相对滑动造成的磨损,提升钛合金零部件的使用寿命。方法采用超音速火焰喷涂(HVOF)方法在TC4钛合金表面上制备Cr_(3)C_(2)-NiCr、Ni50和NiCr涂层。采用扫描电子显微镜(SEM)、显微硬度计等分析涂层的显微结构及力学性能,采用多功能摩擦磨损试验机及白光共焦三维形貌仪测试和分析不同涂层与TC4钛合金在干摩擦条件下的摩擦学性能。结果Ni50和NiCr涂层的硬度分别为680HV0.3和438HV0.3,低于Cr_(3)C_(2)-NiCr涂层硬度1120HV0.3。在高载荷作用下,由于Ni50和NiCr涂层的硬度较低,导致其颗粒界面出现裂纹,断裂韧性测试表现低于Cr_(3)C_(2)-NiCr涂层。3种涂层的摩擦系数及波动均大于TC4钛合金基材。Cr_(3)C_(2)-NiCr涂层对TC4的切削和NiCr涂层对TC4的黏着导致了TC4对磨副的严重磨损。中等硬度的Ni50涂层对TC4的切削和黏着作用分别弱于Cr_(3)C_(2)-NiCr和NiCr涂层,TC4对磨副的磨损损失最低。结论采用超音速火焰喷涂技术制备Ni50涂层可以降低TC4钛合金基体和摩擦副的黏着磨损损失,本研究为钛合金表面耐磨涂层的设计和提高钛合金零部件间的摩擦性能提供了一种可行的方案。

3D打印钛及钛合金医疗器械的优势及临床应用研究

3D打印钛及钛合金医疗器械在口腔医学中的临床应用研究,进一步推动我国口腔医学的发展。方法 采用3D打印技术打印钛及钛合金医疗器械,并将其应用于口腔医学中。结果 经过临床观察和对比,发现3D打印钛及钛合金医疗器械与传统金属医疗器械相比具有以下特点:①生产效率高、周期短、成本低;②材料密度小,生物相容性好,无明显的过敏反应;③与其他金属相比,抗腐蚀性能好,适用于口腔疾病的治疗。结论 3D打印钛及钛合金医疗器械具有结构简单、操作方便、加工速度快等特点,为口腔疾病治疗提供了新的方法和思路,且具有广阔的发展前景。但其仍需进一步完善和改进,如材料表面处理、表面功能化等。