制造领域顶刊，封面文章：AM制备马氏体TiNi仿生人骨(2)
时间：2021-11-23 10:07 来源：材料科学与工程 作者：admin 阅读：次
图 3. 热等静压 (HIP) 处理对网格结构试样密度的影响。(a) 阿基米德密度， (b) CT截面和三维重构视图，以及原始态和HIP 后梯度网格样品中缺陷的 3D 分布。
图 4. 梯度网格FGLS样品的显微结构。(a) 原始态 (AF)，(b)热等静压
(HIPped)态，和 (c)热处理 (HTed)态。 AF 样品的透射电子显微镜 (TEM) 显微照片显示 (d) 胞状组织结构，(e)
胞状结构的放大显微照片可见胞内出现孪晶马氏体，(f) 胞状结构元素面分布分析。
图 5. 热处理态梯度网格结构样品的透射电子显微镜 (TEM) 分析。(a) TEM图像中的
Ti2Ni颗粒，(b) 纳米孪晶和 Ti2Ni 颗粒及衍射斑点，(c) 梯度孪晶和不同取向孪晶，(d) Ti2Ni和基体之间的界面，(e)
界面非晶组织及其电子衍射图案，以及(f)马氏体基体的高分辨率 TEM。
图 6. 粉末和梯度网格试样在不同状态下的的DSC分析(表明材料在人体中可以保持稳定的马氏体结构)。
图 7. LPBF制备的均匀和梯度网格试样在不同状态下的压缩行为。 (a)
名义压缩应力-应变曲线(无引伸计)，(b) 采用DIC系统从曲线的线性阶段测量的弹性模量，以及 (c)
网格样品在不同条件下的极限抗压强度。在没有引伸计的情况下，从名义压缩应力-应变曲线中获取的弹性模量与实际相比存在较大误差，因此DIC测的弹性模量更准确。
图 8.
原始态(AF)和后热处理态(HTed)梯度网格样品中微柱的压缩应力-应变曲线和断裂形态。(a)
AF和HT样品的应力-应变曲线(插入弹性卸载曲线可计算HT样品的弹性模量)； (b) HT试样中Ti2Ni 析出物和马氏体基体的应力-应变曲线
(插入弹性卸载曲线可计算 Ti2Ni 的弹性模量)，微柱取自(c) 中特定组织；(d) Ti2Ni和(e)马氏体基体微柱的 SEM 断裂图像
(Bulge效应表明马氏体基体塑性比析出相更好)。
图 9. 图像相关系统(DIC)监测试样不同应变阶段的变形分布以及样品断裂时效行为分析。(a) 50% 均匀网格试样和 (b) 梯度网格试样。
图 10. 梯度网格试样断裂后的背散射电子显微照片。(a) 低倍率下的断裂形貌， (b) AF和(c) HTed态断裂支柱的放大微观组织观察。发现AF样品中裂纹沿析出相区域拓展，HTed样品中断裂切过析出相。
图 11. 热处理后的功能梯度网格结构(FGLS)中从宏观到亚纳米的分级组织结构。(a)
FGLS的CAD模型(15mm), (b) 具有不同直径的结构单元(0.2~0.5 mm), (c) Ti2Ni 颗粒 (˂10μm), (d)
高密度纳米栾晶 (˂200nm), (e) 板条氏马体 (˂50nm), (f) Ti2Ni 和基体以及非晶界面的显微照片, (g)
界面非晶组织和马氏体基体的高分辨显微照片，(h) Ti2Ni颗粒的高分辨显微照片。
图 12. 本文数据和文献中不同金属多孔结构的比强度-比模量之间的对比(数据均取自孔隙率为40-80%的网格试样) [17, 44-61].
综上所述，受天然人体骨骼启发，设计并采用AM具有径向孔隙率渐变的富钛马氏体 TiNi 梯度网格结构 (FGLS)。表征和讨论了形态、微观结构、相变以及生物力学和生物医学相容性。使用优化的激光参数，所有网格样品的相对密度都达到了>99.4%，而HIPping后处理进一步将缺陷从 0.339% 降低到 0.226%(相对密度~99.8%)。后处理改变了金属间化合物 Ti2Ni 的形态和分数。DSC)分析表明，这种 TiNi 合金在体温下可保持热稳定的马氏体组织。与同等孔隙率的均匀网格样品相比，FGLS 表现出更优越的力学性能。弹性模量和强度可通过后处理（HIP 和 HT）进行调节，其原因通过微柱压缩对相结构的力学性能表征进行了有利解释。热处理后FGLS 样品中出现了多尺度分级强化和韧化的效果，因此，与其他常见的金属多孔生物材料相比，表现出超高的比强度(约 70·kN·m/kg)，同时保持低杨氏模量(4.46 GPa)和良好的延展性。在生物力学兼容性方面，TiNi 梯度网格结构在密度、拉伸/压缩不对称性、弹性模量和压缩强度方面均与天然骨骼的参数匹配良好。
仿生 FGLS 支架模拟真实的骨骼结构，可以更好地适应原生组织并满足各种生物学需求，最大限度地减少骨 - 植入物之间的不良相互作用(例如机械不匹配、应力屏蔽和植入物失败)来提高力学相容性。毫无疑问，使用仿生材料的仿生 FGLS 骨支架的增材制造个性化定制，是组织工程未来的发展趋势。此外，这项工作中的发现也可以扩展到其他应用领域。例如，这种梯度网格结构在承受单向载荷时比均匀网格（尽管具有相同的相对密度）具有更高的抗压强度，可以启发航空航天部件的轻量化设计，在不增加重量的情况下提高零件承载能力。
(责任编辑：admin)
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