快速凝固镁合金骨支架的激光成形机理研究

Bone grafting is the second largest transplantation operation, which ranks only second to transfusion. Magnesium alloy is a new generation of revolutionary metal biomaterials. However, there are some disadvantages such as fast degradation rate and uncontrollability of degradation behaviour existing in magnesium alloy. Rapid solidification technology is an important method to improve and exploit the potency of metal materials..The project application focuses on microstructure evolution during the forming processes by utilizing selective laser melting as the technique, combined with the rapid solidification of magnesium alloy as the method. The study will investigate characteristics such as solute transport, structural evolution and segregation in solid liquid phase of magnesium alloy under the condition of non-equilibrium solidification in laser melting. The responses of grain growth velocity and dendrite arm spacing to the cooling rate will be analysed. The effects of laser forming parameters on density, surface topography and precision will be evaluated. Besides, the generation mechanisms and containment strategies of some forming defects such nodularization, pores and cracks will be investigated. The component design, solid solubility and grain existence form of magnesium alloy and their effects on the properties of the alloy will be analysed in order to realize the controllability of the degradation behaviour of the scaffolds. The responding mechanisms between the fabrication process parameters and mechanical and biological properties will be revealed. We will try to find a way to improve the properties of magnesium alloy bone scaffold and establish process models optimally matched by multiparameters. These will serve as a theoretical underpinning for developing manufacturing technology and equipment of magnesium alloy bone scaffold with independent intellectual property rights.

骨移植是仅次于输血的第二大移植手术，镁合金是新一代的革命性金属生物材料，但常规镁合金存在降解速率过快、降解行为不可控等缺点。快速凝固技术是提高和挖掘金属材料潜能的重要方法。本申请拟以选择性激光熔化为工艺，以实现镁合金快速凝固为手段，以成形过程中的微观组织演变为核心，研究激光熔化非平衡凝固条件下，镁合金液固两相中溶质传输、组织演化、偏析等特征。分析晶粒生长速度和枝晶间距对冷却速率的响应。查明激光成形工艺参数对致密度、表面形貌和精度的影响，以及球化、孔隙、裂纹等成形缺陷的产生机制与抑制策略。通过分析镁合金的组份设计、固溶度、晶粒存在形式及其对合金性能的作用实现对镁合金骨支架降解行为的可控。揭示力学性能和生物性能对制造工艺参数的响应机制，从制造技术与装备上寻找提高镁合金骨支架性能的突破点，建立多参数优化匹配的工艺模型；为发展我国自主知识产权的高性能镁合金骨支架制造技术与装备提供理论基础。

镁合金被誉为新一代革命性的生物金属材料。但常规工艺成形镁合金晶粒粗大、第二相偏析，导致降解速率不可控。选区激光熔化（SLM）技术具有快速凝固的特性，能够抑制晶粒生长、扩展合金元素固溶、减少第二相偏析，在提高镁合金耐腐蚀性能方面展现出巨大潜能。为此，本项目利用SLM技术制备生物镁合金，主要研究内容有：.开发了面向生物镁合金的SLM成形系统，研究了工艺参数对成型质量的影响机制，发现能量密度较低时，较快的冷却速率有利于细化组织，但会导致熔池液相粘度较高、流动不充分而形成孔隙，而能量密度过高时，减慢的冷却速率导致晶体结构粗化，且凝固层内会累积较大的残余热应力而形成裂纹；揭示了微观结构与耐腐蚀性能之间的关联机制，发现SLM通过快速凝固细化晶粒尺寸，从而提高了表面氧化膜的致密度和稳定性，同时通过溶质俘获效应提高了合金元素的固溶、减少第二相的析出，从而减轻了镁基体中电偶腐蚀的发生；利用合金化手段调控组织性能，发现稀土Nd合金化诱导的惰性第二相在晶界均匀连续析出形成蜂窝状结构包裹镁晶粒，该结构能够作为“保护盾”隔绝镁合金与腐蚀液的接触，进一步增强了耐腐蚀性能；利用介孔氧化硅提高了镁合金的生物活性，发现SLM过程中熔池内形成的液相对流和快速凝固能够促进介孔氧化硅的均匀分散并获得紧密的界面结合，且介孔氧化硅表面丰富的官能团和巨大的比表面积促进了钙磷沉积，提高了镁基体的生物矿化能力。.以上研究成果共发表国内外学术论文28篇，授权国家专利19项，出版中英文专著3部。研究成果获2019年湖南医学科技一等奖（排第1）、2017年湖南省自然科学二等奖（排第1）。2017年入选“国家万人计划领军人才”、“湖南省科技创新领军人才”。本项目解决了可降解生物镁合金制备的关键技术问题，掌握了整套设备的设计与制造技术，为发展我国自主知识产权的高性能镁合金骨支架制造技术与装备提供了理论基础。