【能场复合激光表面改性】浙江工业大学姚建华教授团队：微弧氧化对选区激光熔化多孔Ti6Al4V力学性能的影响

科技 2024-08-26 17:00 重庆

背景与意义

Ti6Al4V合金以其低密度、高比强度、低热膨胀系数以及高人体亲和性等出色特性而在医疗领域得到广泛关注。然而，致密Ti6Al4V合金植入体的弹性模量为90~110 GPa，远远超过人体皮质骨的弹性模量范围，若直接应用这种合金植入体可能导致严重的“应力屏蔽”效应。为了解决这一问题，研究人员采用多孔结构的Ti6Al4V植入物，其可以有效地调整Ti6Al4V材料的弹性模量，从而减轻“应力屏蔽”效应。与此同时，多孔结构提供了更大的表面积，这为骨细胞的生长和组织再生提供了更多的场所，增强了其骨结合能力。

为探究多孔Ti6Al4V经过微弧氧化（MAO）表面改性后力学性能的变化规律，浙江工业大学姚建华教授团队采用选区激光熔化（Selective Laser Melting，SLM）制备了相对密度分别为0.30、0.38、0.47的多孔Ti6Al4V点阵材料，利用表面化学抛光预处理和MAO工艺在其表面制备MAO膜层，再通过显微观察和单轴压缩试验分析其微观形貌和力学性能，旨在深入探讨MAO对多孔Ti6Al4V力学性能的潜在影响。

图文导读

影响微弧氧化成膜的主要因素为电解液成分、电参数和氧化时间。本文首先探讨了不同脉冲电压和氧化时间对氧化膜层表面形貌以及孔径尺寸的影响，进而分析了氧化时间对氧化膜元素含量以及厚度的影响。试样在进行了50 min化学抛光后，对其进行MAO处理。图6展示了试样在不同脉冲电压条件下多孔Ti6Al4V膜层表面的状态演变以及膜层孔径尺寸的统计图。

图6 多孔Ti6Al4V不同脉冲电压及氧化时间下氧化膜层表面的状态图

除了膜层的表面形貌之外，膜层的元素含量也是选取MAO工艺参数的重要指标。其中Ca、P元素通过增加微弧氧化膜层的骨诱导性可以直接影响植入体与人骨的亲和性，当脉冲电压为350 V时，探究不同氧化时间下氧化物膜层中各原子相对含量的变化曲线（如图8所示），可以观察到随着氧化时间的增长，O元素几乎保持不变，而Ti元素整体呈现下降趋势。与之相反，Ca和P元素则呈现出先上升后下降的势态，而Ca和P的原子含量比则呈现持续上升的趋势。

图8 氧化物膜层各原子相对含量随氧化时间的变化

氧化膜层的厚度也会对多孔Ti6Al4V的力学性能产生直接的影响，如强度、韧性和疲劳性能等。微弧氧化膜层在不同氧化时间条件下的截面形貌如图9所示，图10为对应的膜层厚度变化曲线。

图9 不同氧化时间下氧化膜的截面形貌

图10 不同氧化时间内制备的氧化膜层厚度

结论

1）脉冲电压和氧化时间是多孔Ti6Al4V表面成膜过程中2个关键的影响因素。随着脉冲电压和氧化时间的增加，氧化膜表面的孔洞数量与尺寸均增加，但在较长氧化时间条件下，孔洞数量呈现下降趋势。此外，随着氧化时间的延长，氧化膜的厚度以及膜层中的钙磷原子比也随之增加，而膜层内的钙、磷原子比则是先增大后减小。在脉冲电压为350 V、氧化时间为10 min的条件下制备的膜层表面呈现出最良好的形貌和性能。

2）随着相对密度的逐渐增加，多孔Ti6Al4V材料的弹性模量与屈服强度均呈现增加趋势。这是因为相对密度的提高导致多孔结构中孔隙尺寸减小，材料的连续性增加，减少了应力集中，从而提高了材料的强度和屈服强度。

3）MAO前后，多孔Ti6Al4V的弹性模量和屈服强度的变化受到相对密度的支配，并未引发显著的结构性变化，而且氧化膜对多孔Ti6Al4V整体性能的影响较小，无法有效抵抗多孔Ti6Al4V在压缩过程中的应力集中和裂纹扩展。所以，MAO对多孔Ti6Al4V进行表面改性后，对其力学性能未产生显著影响。

文章信息

该文章发表在《表面技术》2024年第53卷第13期：

项一侯, 唐立威, 王景辉, 等. 微弧氧化对选区激光熔化多孔 Ti6Al4V 力学性能的影响[J]. 表面技术, 2024, 53(13): 84-95.

XIANG Yihou, TANG Liwei, WANG Jinghui, et al. Effect of Micro-arc Oxidation on the Mechanical Properties of Hierarchical Porous Ti6Al4VPrepared by Selective Laser Melting[J]. Surface Technology, 2024, 53(13): 84-95.

DOI：10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2024.13.009

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编辑|邓李旸

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