激光增材成形純鋅的微觀組織及力學(xué)性能各向異性研究

前言

生物可降解金屬具有優(yōu)異的力學(xué)性能，在骨植入體和血管支架等醫(yī)療植入物中具有廣闊的應(yīng)用前景。Zn是人體必需的微量元素之一，有比Fe和Mg更適宜的降解速率，以及良好的生物相容性，能通過增強(qiáng)成骨細(xì)胞基因與抑制破骨細(xì)胞分化來促進(jìn)骨修復(fù)。

激光選區(qū)熔化（SLM）增材制造技術(shù)采用高能激光選擇性地熔化粉末顆粒形成熔池，被廣泛用于制造尺寸精度高、力學(xué)性能優(yōu)異的金屬骨植入物.

SLM成形純Zn的研究主要集中在工藝參數(shù)對(duì)成形件致密化和力學(xué)性能的影響方面。

本文重點(diǎn)研究了SLM成形純Zn的微觀組織和力學(xué)性能的各向異性及形成機(jī)理。旨在闡明SLM成形純Zn的微觀結(jié)構(gòu)與力學(xué)性能各向異性間的內(nèi)在聯(lián)系，探索晶粒特征和織構(gòu)對(duì)各向異性的影響規(guī)律。

試驗(yàn)準(zhǔn)備

本試驗(yàn)所用氣霧化純鋅粉末的純度（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）為99.9%。掃描電子顯微鏡顯示粉末具有良好的球形度，如圖1（a）所示。采用商用SLM成形設(shè)備成形純鋅試樣。

拉伸試樣尺寸如圖2（a）所示。水平平面和垂直平面成形的試樣分別如圖2（b）、（c）所示。

分析與討論

微觀組織

圖3為SLM沿不同平面成形的純鋅的形貌特征。圖3（a）、（d）為沿垂直平面成形的純鋅試樣的光學(xué)顯微圖，盡管致密度已超過99.5%，但仍觀察到少量孔隙與微裂紋。

圖3（b）、（e）所示為沿水平平面構(gòu)建的Zn試樣的垂直截面的光學(xué)顯微形貌。在此截面上可觀察到魚鱗狀熔池及成形缺陷，熔池邊界清晰可見。

圖4顯示了SLM成形Zn試樣的垂直平面和水平平面的EBSD反極圖（IPF）和晶粒尺寸分布統(tǒng)計(jì)圖，可以發(fā)現(xiàn)微觀組織具有明顯的各向異性。

力學(xué)性能

進(jìn)一步測(cè)試了SLM沿水平與垂直平面成形的Zn試樣的拉伸性能，如圖8所示。其中，圖8（a）、（b）所示為試樣的應(yīng)力-應(yīng)變曲線與加工硬化曲線。

通過量化拉伸性能，可得到沿水平平面成形的試樣的屈服強(qiáng)度、極限抗拉強(qiáng)度和延伸率分別為（108.0±0.9）MPa、（123.5±2.1）MPa和（11.7±0.9）%，而沿垂直平面成形的試樣的屈服強(qiáng)度、極限抗拉強(qiáng)度和延伸率則分別為（90.2±1.2）MPa、（108.0±2.4）MPa

和（14.1±0.7）%。

盡管沿水平平面成形的試樣的屈服強(qiáng)度和極限抗拉強(qiáng)度比沿垂直平面成形的試樣高出16.5%和12.5%，但延伸率低了17%。以上結(jié)果均表明SLM成形Zn的力學(xué)性能存在各向異性。

圖8（d）比較了本文SLM成形試樣、鑄造試樣、熱軋與熱擠壓試樣和已報(bào)道的其他成形純Zn試樣的力學(xué)性能，發(fā)現(xiàn)SLM成形純Zn的拉伸性能明顯優(yōu)于大多數(shù)其他制造方法加工的純Zn。

SLM沿水平與垂直平面成形的Zn試樣的拉伸斷口形貌如圖9所示；對(duì)比發(fā)現(xiàn)，SLM沿垂直平面成形的Zn試樣的斷裂形貌顯示出更多的韌窩、更少的解離面和更粗糙的斷口表面，表明該試樣具有更好的塑性變形能力，這也是沿垂直平面成形的試樣在構(gòu)建方向上表現(xiàn)出更高的延展性的原因。

結(jié)論

從晶粒形貌和取向等方面研究了SLM沿水平與垂直平面成形的Zn試樣的微觀結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能，并討論了微觀結(jié)構(gòu)和各向異性力學(xué)性能之間的關(guān)系，主要結(jié)論如下

1）在SLM沿垂直平面成形的Zn試樣中， SLM沿垂直平面成形的Zn試樣的平均晶粒尺寸約為17.24μm，SLM沿水平平面成形的Zn試樣的平均晶粒尺寸為10.21μm，平均晶粒尺寸減小了40.8%。

2）SLM沿水平與垂直平面成形的試樣的力學(xué)性能表現(xiàn)出明顯的各向異性。SLM沿水平平面成形的試樣的屈服強(qiáng)度和極限抗拉強(qiáng)度分別比SLM沿垂直平面成形的試樣高7.2%和12.5%，延伸率低17%，SLM沿水平平面成形的試樣具有高強(qiáng)度，主要?dú)w因于其具有更細(xì)的晶粒尺寸和更高的初始位錯(cuò)密度，能夠阻礙后期位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，而SLM沿垂直平面成形的試樣具有強(qiáng)延伸性，主要?dú)w因于其具有更多的高角度晶界，能夠有效地阻礙裂紋偏轉(zhuǎn)，試樣不易過早斷裂。

產(chǎn)品推介

球形鋅鋰合金粉