钛钽梯度合金植入体的选区激光熔化制备及其性能调控机理

Titanium-Tantalum (Ti-Ta) alloy is an ideal material for medical implantation application because of excellent biomechanical properties and biocompatibility. However, the formation of Ti-Ta alloy was found to be difficult, and the weight ratio is too high for implant. This project aim to resolve these issues using selective laser melting process to achieve near neat shape manufacturing with the beta-phase. This project proposes a train of thought of gradient component design to reduce weight ratio of part. Applicant focus on alloying process under laser irradiation, gradient component formation and controlling process during selective laser melting. Establishing gradient powder layer spreading and precision formation by adjusting powder mixing, supplying and spreading mechanism, optimizing laser parameter and scanning path. Connecting microstructure analysis, phase change and mechanical properties, biomechanical, corrosion resistance by material and material performance characterization. This project will guide the development of high performance Ti-Ta implant manufacturing process and theory study.

钛钽合金具有优秀的生物力学性能与生物相容性，是制备医疗植入体的理想材料。本项目针对钛钽合金成形难、比重大的问题，提出了通过设计梯度成分组织降低合金平均比重，并采用选区激光熔化技术保持低弹性模量的β相组织并实现近终形制备的新思路。重点研究激光作用下钛-钽合金化行为，选区激光熔化制造工艺中梯度组织形成规律和控制原理。通过设计新的混粉机构，实时调控放粉、混粉和铺粉过程；优化激光参数与扫描路径，实现梯度粉层的稳定铺放和精确成形。对钛钽连续梯度合金的微观组织与材料性能进行表征，建立连续钛钽梯度合金微观组织、相变与力学性能、抗腐蚀性能、生物相容性的对应关系与控制机理，为高性能钛钽合金植入体的研发奠定理论和技术基础。

钛钽合金作为新型β相钛合金具有优秀的生物相容性与较低的弹性模量，是生物医用植入物最理想的合金材料。但是钽元素熔点高、密度高、成本高，其含量对合金相组成与力学性能有重要影响，成形工艺与其成分优化成为难点。本项目通过自主开发的梯度材料增材制造工艺对钛-钽梯度材料进行高通量制备，理清了大密度差异粉末铺放优化规律，实现了钛-钽梯度粉层平稳铺放与激光工艺优化。打印出了大尺寸连续梯度钛-钽合金部件，通过力学性能、抗腐蚀性能与生物相容性表征，阐明了高能束打印态与热处理态钛-钽合金相变规律，理清了钛-钽合金全元素变化下的抗腐蚀性能与生物相容性变化，为钛-钽合金成分优化与性能调控提供了数据基础与理论依据。在本项目支持下，以第一/通讯作者在Mat. Sci. Eng. A-Struct, Corros. Sci., Addit. Manuf., Appl. Surf. Sci., 等重要期刊发表学术论文13篇（SCI论文8篇，中文论文5篇），其中中科院一区期刊论文6篇，均为TOP期刊，1篇论文被选为期刊封面论文。申请美国专利2项，授权中国技术发明专利9项，实现专利转化4项，转化金额80余万元。项目负责人获得2021冶金科学技术奖二等奖（R9，2021年），在国内外重要学术会议如钢铁年会、粉末冶金大会、金属复合材料大会等做邀请报告8次，圆满完成项目预定目标。