選區(qū)激光熔化（SLM) 純鋅的顯微組織與力學(xué)性能演變

鋅是人體內(nèi)重要的微量元素，鋅合金具有合適的降解速率和良好的生物相容性。此外，Zn還具有骨相容和抗菌特性。因此，鋅基材料被認(rèn)為是一種有前途的生物可降解骨科植入材料.

然而，傳統(tǒng)的制造技術(shù)無法制造具有各種復(fù)雜幾何形狀的零件，不能適應(yīng)醫(yī)學(xué)多樣化需求的發(fā)展將來。

與傳統(tǒng)制造技術(shù)，AM可以制備各種復(fù)雜的植入物，滿足個(gè)性化定制要求的幾何形狀以用于患者。在各種AM技術(shù)中，選擇性激光器熔化（SLM）廣泛應(yīng)用于骨科多孔材料的制備支架。然而，純鋅的熔點(diǎn)和沸點(diǎn)非常低（419.5℃和907℃），容易引起揮發(fā)，因此飛濺物和煙霧很容易形成，這可能會(huì)損壞成型零件的質(zhì)量，并導(dǎo)致加工窗口狹窄。

與傳統(tǒng)工藝對比，SLM制備的樣品顯示出不同的微觀結(jié)構(gòu)特征。由于缺乏深入研究，SLM微觀結(jié)構(gòu)的形成機(jī)制及其對機(jī)械性能尚不清楚。

本文通過初步實(shí)驗(yàn)，對SLM純鋅的工藝參數(shù)進(jìn)行了不同優(yōu)化，以探討SLM制備純鋅合金的微觀結(jié)構(gòu)形成機(jī)理及其微觀結(jié)構(gòu)的演化規(guī)律，并得出工藝參數(shù)和微觀結(jié)構(gòu)對其力學(xué)性能的影響。

實(shí)驗(yàn)用純鋅粉

氣霧化工藝制成的純鋅粉

材質(zhì)成分，形貌及粒徑分布見圖1

選擇性激光熔化系統(tǒng)-SLM

實(shí)驗(yàn)使用自帶氧氣的SLM機(jī)器

（BLT-S200）

制樣示意圖見圖2，制備參數(shù)見表2

圖4顯示了密度和硬度與Ev之間的關(guān)系：

可以發(fā)現(xiàn)樣品的密度隨著Ev的增加而增加，并最終趨于以保持穩(wěn)定。

隨著Ev的增加，硬度從20.71HV逐漸增加至39HV，這比鑄造純Zn的顯微硬度（35.08

HV）要高。

圖6（a）顯示了鑄造純Zn和SLM-純Zn的沉積表面的微觀結(jié)構(gòu)。鑄造純鋅由數(shù)百微米大小的粗α-Zn晶粒組成。SLM-純Zn則由較細(xì)的等軸晶粒（~8μm）組成。

圖6（b）顯示了在相同的激光功率（100W）下，當(dāng)Ev從47.61增加到158.73時(shí)，等軸晶粒尺寸從8.0μm增加到9.5μm。

圖6（d）顯示了隨著Ev的變化，氧化物體積分?jǐn)?shù)基本保持不變。

圖10（b）顯示了SLM純Zn和鑄造純Zn的拉伸性能對比柱狀圖，可見除了Ev-35.71的參數(shù)外，其余參數(shù)的SLM純Zn拉伸性能均優(yōu)于鑄造純Zn的拉伸性能

圖10（c）顯示了SLM純Zn的加工硬化速率曲線。從曲線中可以看出，樣品存在加工硬化現(xiàn)象，但加工硬化率很低。

圖11顯示了在四個(gè)參數(shù)下樣品的典型斷裂形態(tài)。

Ev-158.73 參數(shù)時(shí)樣品呈現(xiàn)韌性剪切斷裂，斷裂中存在纖維區(qū)。

Ev-142.85樣品中的凹坑數(shù)量減少，并且凹坑變得更大和更淺。

Ev-59.52樣品斷裂處的凹坑數(shù)量進(jìn)一步減少，并且凹坑的形狀不明顯。

Ev-35.71試樣的斷口基本上沒有凹坑，可發(fā)現(xiàn)更多未熔化的粉末和較差的熔合缺陷，顯示出脆性斷裂。

鑄態(tài)純鋅的斷口非常光滑，可以看到一個(gè)巨大而平坦的解理面，這也表明脆性斷裂。

在本研究優(yōu)化的工藝參數(shù)范圍內(nèi)，掃描速度范圍為300–400 mm/s時(shí)，掃描速度越高，熔池中液相的凝固速度就越高。因此，熔池中的凝固條件是低溫度梯度和高掃描速度。最后，正六邊形等軸晶粒在熔池中形成。當(dāng)V從300mm/s增加到1000mm/s時(shí)，凝固速度的增加降低了晶粒生長的時(shí)間，并且形成的晶粒也更細(xì)。

在優(yōu)化的工藝參數(shù)范圍內(nèi)制備的SLM純鋅樣品的拉伸性能優(yōu)于鑄造純鋅樣品。由于細(xì)晶粒強(qiáng)化，SLM純鋅的強(qiáng)度和延展性與鑄造純鋅相比有所提高。四個(gè)工藝參數(shù)中，Ev-35.71的低能量密度導(dǎo)致樣品中存在部分未熔化的粉末，最終導(dǎo)致較低的機(jī)械強(qiáng)度。當(dāng)Ev逐漸增加時(shí)，樣品的強(qiáng)度和延展性逐漸增加。強(qiáng)度和伸長率增加的主要原因是樣品中不良熔合缺陷的減少。因此，影響SLM純Zn力學(xué)性能的主要因素是樣品中的缺陷。

1、最終優(yōu)化的參數(shù)范圍為Hs=70μm、Ds=30μm，Ev=83.33-158.73 J/mm3，密度為91.24-93.04%。密度較低的原因是高能量密度導(dǎo)致純Zn的液相揮發(fā)，形成許多規(guī)則的圓形孔隙。

2、SLM純Zn的微觀結(jié)構(gòu)為等軸晶粒和片狀結(jié)構(gòu)，一些氧化物位于晶界，晶粒尺寸為8–10μm。等軸晶粒的形成歸因于印刷過程中的低溫梯度和氧化物對晶界的阻礙作用。

3、在優(yōu)化的參數(shù)下，SLM純鋅的平均硬度、屈服強(qiáng)度、極限拉伸強(qiáng)度和伸長率分別為39.03HV、84.29MPa、95.93MPa和11.73%，力學(xué)性能優(yōu)于鑄造純鋅。

【Microstructural evolution and mechanical properties of pure Zn fabricated by selective laser melting 】

Chengzhe Wang , Yunlong Hu , Chen Zhong , Cunxiao Lan , Wei Li , Xiaojian Wang