技术背景：

医用钛合金的分类主要从合金的基体相区分，在882.5℃以下为密排六方晶体结构的α-Ti，在882.5℃以上时为体心立方晶体结构的β-Ti。根据此前的文献报道，合金元素对纯钛的相变温度有很大影响。通常，合金元素被分为两大类：α稳定元素（如Al,C,O）和β稳定元素（如Mo,Ta,Nb）。Al元素在α相中有很大的固溶度，在β相中几乎不溶解，可显著提高相变点，主要分布在6-8%的区间；Mo元素与β相无限溶解，但与α有限溶解，可降低相变点。β稳定元素作为元素周期表中的过渡元素，添加稳定过渡元素的强度取决于添加的量。通过调整合金元素的类型和数量，可以在室温下保持β相。

本文主要针对β型钛合金进行分析研究，该钛合金具有含量较高的β稳定元素（Mo,Ta,Zr）和更少的α稳定元素，因此不会形成任何的金属间相。与α型钛合金hcp相结构稳定无法进行热处理改性不同，β型钛合金可通过热处理，固溶处理，时效处理来提高强度，其中固溶时效是β钛合金最常用的热处理方法，能够在β相基体中析出细小的α片晶进行强化。而通过增加β型钛合金中β相的比例，可以明显提高其韧性，塑性，热处理性能，时效硬化性，由此可降低材料的弹性模量。

根据相关文献，β型钛合金与其他类型钛合金相比具有更低的弹性模量，更接近人骨的弹性模量（10-30Gpa）。这有利于环节应力屏蔽效应。同时，由于在不同相之间存在micro-galvanic效应，与（α+β）型钛合金相比，β型钛合金具有相似的强度和更好的生物相容性，并有望在人体环境汇总表现出更加优异的抗腐蚀性能。因此，以无毒元素Nb,Zr,Ta,Mo,Sn等组成的β型钛合金有望在生物医用材料领域得到广泛应用。其中二元Ti15Mo(TB11)合金已成为现在的研究热点。Ti15Mo钛合金无毒，弹性模量小，植入人体可有效避免Al,V等元素对人体的潜在毒性和应力屏蔽效应，所以开发Ti15Mo用作新型医用材料具有广阔的应用前景。

生物应用常见合金弹性模量

Ti15Mo选区激光熔化实验准备：

粉末材料：

Ti15Mo合金粉末化学成分表

Ti15Mo粉末粒径分布图（平均粒径：32.8μm）

Ti15Mo合金粉末微观形貌

金属3D打印设备：BLT-S210

技术参数：

选区激光熔化成型性能研究

1. 致密度研究

为了得到致密度最高的立方块，进行了两次正交实验，激光功率调节范围从150W到350W，激光扫描速度调节从800mm/s到1400mm/s。所得第一次实验结果如下图所示，a中各颜色方块上标注的数字表示的是该加工参数下所对应的致密度，其中蓝色方块为失败样品。打印失败是因为能力密度过高使立方体四周发生翘曲现象。随着加工层数增加，翘曲现象会越发明显。而b和c分别是350W激光功率下1000mm/s和1400mm/s扫描速度的典型微观光镜图，从b可以看出在高激光功率和低扫描速度下，样品内部形成了大量的球形孔洞，最大孔径可达50μm，这会对致密度造成不良影响。而c所对应的是高激光功率高扫描速度下样品微观光镜图，可以看出样品内部形成了大量微小孔隙和长条状缺陷。

(a) 扫描速度和激光功率对致密度的影响，（b）(c)不同参数下的金相图

为了进一步提升致密度，进行了第二次正交实验，激光功率设置为150W，175W，200W，225W四组，激光扫描速度设置为1100mm/s,1200mm/s,1300mm/s,1400m/s四组。

a和b分别显示了激光能量密度对SLM加工试样致密度的影响，其中b为a中标注的样品（I-IV））所对应的微观光镜图。从a中可以看出，随着能量密度E的增大，样品的相对密度呈现先增大后减小的趋势，这与b中的孔隙数量变化一致，其中样品II的致密度达到了98.21%,相对应的微观结构显示，冶金结合层没有孔隙和裂纹，如b所示。随着能量密度的降低，样品IV的致密度降到了98.07%，这是因为在此能量密度下，粉末未充分熔化。样品I中的表面缺陷表现为球形孔隙，样品IV中的表面缺陷却呈现不规则的长条形。

(a) 能量密度对致密度的影响，（b）其中四个样品的金相图

不同工艺参数下经SLM加工的Ti15Mo样品横截面层间显微结构

（a）E=40.79J/mm3,V=1100mm/s，（b）E=33.39J/mm3,V=1200mm/s，

（c）E=34.52J/mm3,V=1300mm/s，（d）E=32.05J/mm3,V=1400mm/s

2. 力学性能分析

制作拉伸试样，对比不同参数下机械性能的差别，测试结果如下图所示。四组参数的拉伸极限抗拉强度差别不大（839.45-854.58Mpa），延伸率受能量密度的影响较大，可以看出随着能量密度的增加拉伸样的延伸率也在增加。在能量密度为40.79%J/mm3时，拉伸样的延伸率达到了32.33%，而在能量密度最低的那组样品，延伸率则是21.04%。

图 不同打印参数的拉伸样品的应力应变曲线

对拉伸试样的端口进行分析，发现在a中可以看到大量的亚微米级大小的韧窝，这表明该图对应参数（E=40.79J/mm3，v=1100mm/s）下制备的样品延伸率较高。随着能量密度的降低，韧窝的分布也逐渐发生改变：高能量密度下的聚簇韧窝a→中等能量密度下的局部韧窝（b,c）→低能量密度下的分散韧窝（d）。随着能量密度的降低可以明显看到韧窝的分布面积逐渐减少，而端口上的韧窝越多试样的延伸率就越好。

不同加工参数下Ti15Mo的SLM试样断口形貌：

（a）E=40.79J/mm3,V=1100mm/s，（b）E=33.39J/mm3,V=1200mm/s，

（c）E=34.52J/mm3,V=1300mm/s，（d）E=32.05J/mm3,V=1400mm/s

结论：

1.通过致密化研究，在最佳SLM加工参数（P=175W,V=1200mm/s,E=J/mm3）下，获得的最大相对密度为98.21%，在高扫描速度（1400mm/s）下，会出现缺陷。在低扫描速度（1100mm/s）下，熔池内部产生微裂纹和球形缺陷。随着能量密度的增加，熔池分布变得更加规律，熔池重熔程度增加。

2.在最佳工艺参数（1200mm/s，175W）下制备的Ti15Mo试样的抗拉强度达到840.41Mpa，延伸率达到32.37%。

文献来源：《选区激光熔化制备Ti15Mo多孔结构成型工艺及力学性能研究》，舒京国，长沙理工大学

产品介绍

TB11(Ti15Mo)球形钛合金粉末