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            強度提升40%:新型多孔鈦合金冷噴涂技術制備成果

            發布日期:2020-11-19  瀏覽次數:166
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              多孔鈦合金材料能做什么?如何制造它?這可以由美國康奈爾大學以及麻省理工等高校合作項目研究小組最新開發的3D打印(冷噴涂)技術來給出答案。該項研究在今年11月9日,以“超音速沖擊3D打印制備多孔合金”為題,發表在“AppliedMaterials Today.”《今日應用材料》期刊上。
              這張圖片顯示了細胞粘附在一種由冷噴涂3D打印而成的鈦合金上,這表明了這種材料的生物相容性。
              介于本公號讀者普遍的知識結構,冷噴涂和3D打印等基礎概念都不再贅述。簡單地說,這項技術主要利用粉體超音速沖擊形成固態鍵合,在遠低于融融溫度工況下生產出高強度多孔鈦合金,并可以通過后熱處理進一步提升機械性能,最終將其應用于骨科移植等領域。如上圖所示。
              通常的金屬3D打印會由于粉體逐層熔化和凝固的高溫加工影響,導致殘余應力大、力學性能差。冷噴涂技術可以彌補這個缺陷,通常粉體會在臨界速度(形成致密固體的速度)和侵蝕速度(超速則會使粉體破碎而無法進行結合)之間選擇一個最佳速度,通過噴嘴發射到基板上。“類似于作畫,但3D打印會堆積更多。”
              本次研究團隊則通過流體力學運算,確定了一個略低于鈦合金臨界速度的速度(約600m/s),利用高應變速率動態打印粒徑45到106μm之間的Ti-6Al-4V粉體,最終制造出比其他3D打印鈦合金強度提升42%的多孔結構材料(表觀模量51.7±3.2gpa,表觀抗壓屈服強度535±35mpa,孔隙率30±2%)。
              雖然這個過程在技術上被稱為冷噴涂,但它確實涉及一些熱處理。當這些粒子碰撞并結合在一起后,研究人員再加熱金屬,使這些成分相互擴散,像均勻的物質一樣沉淀下來。
              研究人員提到,“如果我們用這種多孔結構制作植入物,并將其植入人體,骨骼就可以在這些孔隙內生長并進行生物固定。”,“這有助于降低植入物松動的可能性。這是件大事。有很多患者必須再次手術移除植入物,因為植入物松動,會引起很大的疼痛。”
              除了該項目所專注的骨科移植,從本質上講,任何能承受塑性變形的金屬材料都可以從這一過程中受益。它為更大規模的工業應用,如建筑、運輸和能源,帶來了許多機遇。
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