曾文燦，陳 薦，任延杰，周立波

(長沙理工大學能源與動力工程學院，長沙 410114)

0 引 言

Ti-15Mo合金是一種具有良好力學性能、耐腐蝕性及生物相容性的鈦合金材料，廣泛用作骨科生物材料[1]。然而鈦合金的彈性模量高于人骨[2-3]，在植入人體后會產生應力屏蔽現象，導致出現鈦合金植入體松動或過早失效等問題[4]。具有孔隙結構的鈦合金具有較低的彈性模量，更接近人骨，其中的孔隙還便于體液的流動，同時其較大的比表面積會促進骨的融合，為新骨的組織生長提供空間[5-6]。因此，具有孔隙結構的鈦合金作為骨科材料具有較大的潛力。

圖1 Ti-15Mo合金粉末顆粒形貌及粒徑分布Fig.1 Morphology (a) and size distribution (b) of Ti-15Mo alloy powder

傳統制備點陣類型孔隙結構材料的方法包括熔模鑄造法、沖壓成型法、擠壓線切割法等，但這些方法局限性較大，成本高。選區(qū)激光熔化(selective laser melting, SLM)是一種增材制造技術，具有成形精度高、制造周期短、適合成形復雜結構零部件等優(yōu)點[7-8]，且在Ti-6Al-4V合金植入體成形方面已有不少的研究。MURR等[9]研究發(fā)現，SLM成形Ti-6Al-4V合金植入體較傳統鍛造加工件有著更優(yōu)異的力學性能；FUKUDA等[10]研究發(fā)現，SLM成形多孔Ti-6Al-4V合金植入體的力學性能符合骨植入要求；LI等[11]用SLM技術成形了正八面體和菱形十二面體多孔Ti-6Al-4V合金植入體。然而，上述鈦合金中都含有釩和鋁元素，具有潛在的細胞毒性，會導致人體過敏，影響植入體的使用效果[12]。目前針對無毒性鈦合金的醫(yī)用研究鮮有報道。鉬作為鈦合金中的穩(wěn)定β相組成元素，添加到鈦合金中形成的Ti-Mo合金是無毒性的β-Ti合金，比α-Ti或(α+β)-Ti合金具有更低的彈性模量[13-14]，更適合成為骨植入材料。

因此，作者根據晶體結構、原子排布及其穩(wěn)定性設計了體心立方 (BCC)和面心立方(FCC)孔隙結構Ti-15Mo多孔合金，又根據人體小梁骨的骨質結構及孔隙率而設計了具有梯度孔隙結構的BCC和FCC合金，并通過SLM成形了上述4種孔隙結構Ti-15Mo多孔合金，研究了其微觀形貌、壓縮特性以及吸能特性，為今后的生物相容性研究提供材料性能基礎。

1 試樣制備與試驗方法

試驗原料為氣霧化法生產的Ti-15Mo鈦合金粉末，粒徑在15～53 μm，顆粒形貌與粒徑分布如圖1所示，可知其粒徑呈正態(tài)分布。

圖2 多孔合金的孔隙單胞結構及相應均勻與梯度孔隙結構Fig.2 Unit cell structures (a, e), uniform pore structures (b,f) and gradient pore structures (c,d,g,h) of porous alloys:(b,c,f,g) stacking structure and (d,h) side structure

圖3 SLM成形多孔合金試樣的孔結構形貌及孔桿放大形貌Fig.3 Pore structure morphology (a-d) and enlarged vieue of pore rod (e-f) of SLM formed porous alloy samples： (a) UBCC structure;(b) UFCC structure; (c) GBCC structure; (d) GFCC structure; (e) vertiacal rod and (f) diagonal rod

利用UG建模軟件設計了均勻孔隙BCC(UBCC)、均勻孔隙FCC(UFCC)、梯度孔隙BCC(GBCC)和梯度孔隙FCC(GFCC)4種結構，結構模型如圖2所示。模型的尺寸均為15 mm×15 mm×15 mm，單胞個數均為5×5×5，UBCC、UFCC結構的支桿直徑為0.5 mm，孔隙的支桿直徑為0.4～0.6 mm且呈連續(xù)變化,結構層數均為5層。梯度孔隙結構每層的孔隙率呈線性下降，如表1所示。采用BLT-210型選區(qū)激光熔化設備在0.5 μm厚板上進行粉末成形，氬氣作為保護氣體，其中氧的體積分數低于0.1%，在Materialise Magics軟件上設置成形參數，采取單層掃描策略，激光功率為175 W，掃描速度為1 200 mm·s-1，層厚為30 μm，掃描間距為0.015 mm。成形后采用線切割將板與不同孔隙結構合金試樣分離。采用超聲波對試樣進行清洗，清洗時間為30 min，然后采用真空干燥箱干燥。采用TESCAN MIRA3型場發(fā)射掃描電鏡(SEM)觀察試樣的表面形貌。采用干重法測定試樣質量，計算實際孔隙率，計算公式為

ρ=m/V

(1)

P=(1-ρ/ρ0)×100%

(2)

表1 梯度孔隙結構模型各層的孔隙率

式中：P為實際孔隙率，%；m為試樣的質量，g；V為構建模型正方體的體積，cm3；ρ為試樣的密度，g·cm-3；ρ0為Ti-15Mo合金的密度，4.95 g·cm-3。

根據ISO13314：2011標準，采用INSTRON 5869型電子萬能試驗機在常溫下對合金試樣進行單軸壓縮試驗，壓縮速度為2 mm·min-1，將輸出的力-位移曲線轉換為應力-應變曲線，每種試樣進行3次重復試驗。能量吸收特性由單位體積的吸收能量進行表征，單位體積吸收能量計算公式為

(3)

式中：W為單位體積吸收能量，J·cm-3；σ為應力，MPa；ε為應變，%；εm為應力-應變曲線平臺結束點對應的應變。

繪制W-ε曲線，計算出多孔合金試樣在壓縮至完全致密前單位體積吸收的總能量WT。

2 試驗結果與討論

2.1 微觀形貌

由圖3可見：SLM成形不同孔隙結構合金試樣的表面均無明顯孔洞，結構均無變形；孔隙結構的垂直支桿和傾斜支桿上附著了不少球形金屬顆粒，這是因為在選區(qū)激光熔化成形過程中，支桿通過逐層熔化金屬粉末并凝固而成形，部分熔化的金屬粉末會黏附到每層的支桿邊緣；未熔化的粉末與已經凝固成形的部分產生很大的溫差并發(fā)生熱擴散，最終導致支柱表面有金屬粉末顆粒黏附[15]。粉末顆粒的黏附增大了支桿的表面粗糙度，有利于細胞的植入繁殖和遷移[16]。由表2可見，均勻孔隙結構合金試樣與其相應梯度孔隙結構試樣的孔隙率相近，但是實際孔隙率都小于設計孔隙率。

表2 SLM成形不同孔隙結構多孔合金的孔隙率和密度

2.2 壓縮特性

通過麥克斯韋(Maxwell)公式來判斷試樣結構的特性[17]，具體公式為

M=s-3n+6

(4)

式中：s為桿數；n為節(jié)點數。

計算得到BCC和FCC孔隙結構的M分別為-13，-14，均小于0，判斷為高柔性結構，在壓縮變形過程中以彎曲變形為主，整體變形較為均勻。由表3可見，UBCC結構合金試樣沿對角剪切帶逐漸坍塌；UFCC結構合金試樣隨著壓縮形成“V”形變形帶，隨著應變的增加，中心區(qū)域逐漸致密。2種梯度結構孔隙試樣的變形過程相似，均是從結構頂部開始逐層坍塌。

表3 不同孔隙結構多孔合金試樣壓縮變形時的截面形貌

由圖4可見，不同孔隙結構合金試樣的壓縮應力-應變曲線都出現了彈性階段、平臺階段和致密化階段。在壓縮過程中，隨應變增大，均勻孔隙結構合金的應力先高于后低于對應梯度孔隙結構合金。這是因為均勻孔隙結構與梯度孔隙結構合金試樣的整體孔隙率基本一致，但梯度孔隙結構中每層孔隙率呈線性下降變化，一端孔隙率大于均勻孔隙結構，而孔隙率越大，屈服強度和彈性模量就越小，所以在壓縮過程中，梯度孔隙結構孔隙率大的一層先變形，導致梯度孔隙結構合金試樣在相同應變下的應力低于均勻孔隙結構合金試樣；但隨著應變的增加與每層孔隙率的減小，梯度孔隙結構合金試樣的應力逐漸高于均勻孔隙結構合金試樣。由表4可見， 4種試樣的彈性模量都介于0.3～1 GPa之間，平臺應力都介于28～48 MPa之間，均處于小梁骨的力學性能范圍內。由于不同孔隙結構合金的密度不同，將彈性模量和屈服強度分別除以密度得到的比模量和比強度更能反映不同孔隙結構合金試樣的性能差異。UFCC結構合金試樣的比模量和比強度分別是UBCC結構合金試樣的264%和230%；GFCC結構合金試樣的比模量和比強度分別是GBCC結構合金試樣的320%和224%。對比可知，UFCC與GFCC結構合金試樣的力學性能更優(yōu)，其中GFCC結構合金試樣具有最優(yōu)異的力學性能。

圖4 SLM成形不同孔隙結構多孔合金試樣的壓縮應力-應變曲線Fig.4 Compressive stress-strain curves of SLM formed porous alloy samples with different pore structures

表4 SLM成形不同孔隙結構多孔合金試樣的壓縮性能

圖5 UBCC結構和GBCC結構合金試樣結點處的斷裂形貌Fig.5 Fracture morphology at node position of UBCC structure (a-c) and GBCC structure (d-f): (a, d) at low magnification;(b, e) at medium magnification and (c, f) at high magnification

由圖5和圖6可以看出，不同孔隙結構試樣均在結點處出現斷裂現象。這是因為結構中X形的支桿在加載時起到了像鉸鏈一樣的作用，增加了幾何形狀突變的拐角處的拉應力集中，使結點處易產生斷裂。

2.3 吸能特性

由圖7可見：UBCC結構和UFCC結構合金試樣的單位體積吸能與應變均呈近線性特征，與應力-應變曲線中塑性平臺階段相似；GBCC結構和GFCC結構合金試樣則表現出非線性特征。這是因為在高孔隙率層連續(xù)坍塌過程中的單位體積吸能要比均勻孔隙結構少，隨著應變的增加，梯度孔隙結構單位體積吸能快速增加，UFCC、GFCC、UBCC、GBCC結構合金試樣的吸收能量總量分別為6.00，6.60，3.80，3.99 J·cm-3，梯度孔隙結構合金的能量吸收效果更好，其中尤以GFCC結構合金最優(yōu)。

圖6 UFCC結構和GFCC結構合金試樣結點處的斷裂形貌Fig.6 Fracture morphology at node position of UFCC structure (a-c) and GFCC structure (d-f): (a, d)at low magnification;(b, e) at medium magnification and (c, f) at high magnification

圖7 SLM成形不同孔隙結構多孔合金試樣的能量吸收曲線Fig.7 Energy absorption curves of SLM formed porous alloy samples with different pore structures

3 壓縮失效行為

3.1 壓縮模型的建立

采用ABAQUS/Standard軟件建立不同孔隙結構合金試樣的壓縮試驗模型，來分析其失效方式。Ti-15Mo合金密度為4.95 g·cm-3，彈性模量為77 GPa，泊松比為0.3，屈服強度為755 MPa。為了模擬單軸壓縮，創(chuàng)建了兩個剛性板，并對試樣與剛性板之間采用法向硬接觸方法，即摩擦因數為0.3的切向接觸行為。在頂板上施加沿z軸負向平移1.5 mm(10%)的準靜態(tài)位移載荷，底板的所有平移和轉動均固定。單元類型選擇二級四面體C3D10單元。以UBCC結構合金為例，所建立的有限元模型如圖8所示。

圖8 UBCC結構合金壓縮試驗的有限元模型Fig.8 Finite element mode for compression test of UBCC structure alloy

3.2 壓縮模擬結果

由圖9可見：UBCC與UFCC結構合金試樣應力分布均勻，支桿上的應力均小于結點處的應力。對于GBCC與GFCC結構合金試樣，孔隙率高的一側的應力高于孔隙率低的一側，因此壓縮過程中發(fā)生逐層坍塌，應力集中都發(fā)生在結點處。應力集中位置會優(yōu)先斷裂，與圖5結果相符。

4 結 論

(1) 采用SLM技術成形UBCC結構、UFCC結構及其相應的GBCC、GFCC結構Ti-15Mo多孔合金試樣，成形質量良好，孔隙率與設計值的誤差在5%以內。

圖9 不同孔隙結構多孔合金試樣在壓縮至應變?yōu)?0%時的模擬應力云圖Fig.9 Stress cloud diagram of porous alloy samples with different pore structures and compressed to 10% strain

(2) 4種孔隙結構試樣的彈性模量在0.31 GPa，平臺應力為28～48 MPa，均與人體小梁骨相近；均勻孔隙和梯度孔隙FCC結構合金試樣的彈性模量和抗壓強度均高于BCC結構合金試樣，其中梯度孔隙FCC結構合金試樣最高；梯度孔隙結構試樣的吸能總量均大于均勻孔隙結構試樣，其中梯度孔隙FCC結構合金試樣有最優(yōu)異的吸能特性，其吸收能量總量為6.60 J·cm-3。4種孔隙結構合金試樣均在結點處產生應力集中，在壓縮時均在此處先開裂，然后逐漸壓潰開裂。