浅谈增材制造用金属粉末工艺和性能及其对终产品的影响

时间：2022-05-07 14:17 来源：国家药品监督管理局作者：admin 阅读：次

随着医学影像学和数字化的快速发展，个性化、精准化成为骨科发展的一个重要方向，增材制造技术是实现骨科手术个性化和精准化的一种有效手段。骨科植入物制造商通过增材制造技术制造的类似于骨小梁多孔结构的金属髋臼杯、人工椎体和椎间融合器已获准上市。目前，应用于骨科植入物的增材制造产品主要是以Ti-6Al-4V钛合金粉末为原材料的电子束熔融（EBM）和激光选区熔融（SLM）技术制造。金属粉末的颗粒形貌、粒径分布和流动性等性能对于增材制造终产品的性能具有重要影响，本文旨在简要介绍增材制造用金属粉末的制备工艺和粉末的关键性能及其对终产品的影响。

△图1 骨科植入物的增材制造产品过程

一、金属粉末制备工艺
金属粉末的制备过程是将经过冶炼的合金原料（锭、棒或丝等）高温熔融，再雾化形成粉末。目前，主要的制备工艺方法为水雾化法、气雾化法（Electrode Induction-melting Gas Atomization，电极感应加热气雾化法）、等离子体雾化法、等离子体旋转电极雾化法(Plasma rotating electrode process)以及氢化-脱氢法等。

△表1 增材制造用金属粉末的制备工艺

气雾化法是将原料在空气、惰性气体下或在真空条件下熔融，随后熔融合金流体通过高速空气、氮气、氦气或氩气喷嘴雾化成颗粒。粉末颗粒大多呈球形，存在一些不规则的颗粒，颗粒粒径范围为0～500μm。在20～150μm范围内的粉体产量在总产量的10%～50%之间波动。

△图2 气体雾化过程

等离子雾化法是以冶炼合金丝材或者经过破碎处理的粉末为原料，在等离子弧和气体喷枪的作用下雾化成颗粒。粒径分布为0～200μm，颗粒球形度好。等离子体旋转电极雾化法是在等离子雾化法基础上改用棒材为原料，进料过程中旋转棒材，形成的颗粒在接触到腔体之前已经固化，因此粉末的纯度高。颗粒粒径在100μm以下，生产成本很高。

△图3 等离子体雾化过程

虽然水雾化法和氢化-脱氢法制备粉末成本更低，但是这两种方法制备的颗粒形貌为不规则的，因此，在增材制造领域应用较为有限。从图4中可以看出，气雾化法制备的Ti-6Al-4V粉末形貌近似于球体，而等离子体旋转电极雾化法制备的Ti-6Al-4V粉末纯度高，颗粒形貌高度球体化。

△图4 不同制备工艺Ti-6Al-4V粉末扫描电镜SEM图: (a) 水雾化法; (b) 气雾化法; (c) 等离子体雾化法; (d) 等离子体旋转电极雾化法。

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