消除激光增材超過(guò)1倍的顯著各向異性,，定制均質(zhì)強(qiáng)韌鈷鉻鉬全膝假體

作者：余家闊（通訊作者）宋長(zhǎng)輝（通訊作者）
來(lái)源：Materials Futures

近年來(lái),，增材制造（AM）技術(shù)在個(gè)性化醫(yī)療植入物的臨床應(yīng)用中取得了顯著進(jìn)展,。華南理工大學(xué)與清華長(zhǎng)庚醫(yī)院的研究團(tuán)隊(duì)聯(lián)合提出一種優(yōu)化的熱處理方法,，成功改善激光粉末床熔融（LPBF）CoCrMo合金的各向異性,。這項(xiàng)研究依托納通生物研發(fā)的全球首例獲創(chuàng)新醫(yī)療器械注冊(cè)的激光增材制造全膝關(guān)節(jié)假體，結(jié)合固溶與退火的熱處理工藝,，有效提升合金的各向同性,。該方法降低潛在薄弱區(qū)域的失效風(fēng)險(xiǎn)，從而增強(qiáng)力學(xué)性能的一致性,。此研究不僅深化對(duì)增材制造生物醫(yī)用合金在微觀結(jié)構(gòu)-性能關(guān)系的理解,，還為未來(lái)骨科植入物制造建立了質(zhì)量控制框架。

文章亮點(diǎn)
固溶退火組合熱處理工藝平衡超過(guò)1倍的增材制造各向異性,。
固溶誘導(dǎo)再結(jié)晶細(xì)化粗大柱狀晶為可容納取向應(yīng)力的等軸晶粒,。
低溫退火中退火孿晶和馬氏體板條協(xié)同作用實(shí)現(xiàn)勻質(zhì)化和強(qiáng)韌化。

研究背景
CoCrMo合金因其優(yōu)異的力學(xué)性能,、耐腐蝕性和耐磨性,，廣泛應(yīng)用于醫(yī)療植入物如牙冠、髖關(guān)節(jié)及膝關(guān)節(jié)假體,。然而在臨床實(shí)踐中,，由于患者個(gè)體差異及疾病特征的不同，傳統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)化植入物無(wú)法滿足患者的個(gè)性化需求,。激光粉末床熔融（LPBF）技術(shù)憑借其制造復(fù)雜結(jié)構(gòu)和高效定制的優(yōu)勢(shì),，在醫(yī)療領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大潛力,。但在LPBF過(guò)程中，由于逐層制造和極高的冷卻速率（約10⁵–10⁶ K/s）,，導(dǎo)致產(chǎn)品呈現(xiàn)顯著的各向異性。盡管已有大量研究針對(duì)LPBF-CoCrMo合金展開(kāi),，但多數(shù)工作僅聚焦于單一方向的力學(xué)性能,，未充分考慮各向異性對(duì)整體性能的影響。拉伸方向?qū)λ苄宰冃涡袨榫哂兄匾�影��,，這種力學(xué)性能的不均衡可能導(dǎo)致醫(yī)療器械薄弱部位的早期失效,。因此，實(shí)現(xiàn)各向同性對(duì)于提高醫(yī)療植入物的耐久性與穩(wěn)定性至關(guān)重要,，這一問(wèn)題亟待深入研究與解決,。

本文要點(diǎn)

增材制造鈷鉻鉬合金各向異性
LPBF的高熱梯度及熔化-凝固循環(huán)促進(jìn)了<001>取向柱狀晶的優(yōu)先生長(zhǎng)，并沿成型方向進(jìn)一步延伸,。拉伸方向?qū)�CoCrMo合金的塑性變形行為具有顯著影響,，其中，平行于成型方向的延伸率為19.1%,，而垂直方向僅為9.3%,，二者相差超過(guò)100%。打印態(tài)（AP）合金的各向異性主要由晶粒形態(tài)主導(dǎo),，柱狀晶沿長(zhǎng)軸與短軸的位錯(cuò)滑移能力存在顯著差異,，其高縱橫比特性影響拉伸加載過(guò)程中的應(yīng)力分布。TDX的位錯(cuò)主要沿晶粒短軸運(yùn)動(dòng),，緊密排列的晶界對(duì)位錯(cuò)遷移形成強(qiáng)阻礙,，導(dǎo)致位錯(cuò)高度集中并發(fā)生劇烈的相互作用，從而限制塑性變形能力并降低伸長(zhǎng)率,。相反,，TDZ的位錯(cuò)主要沿晶粒長(zhǎng)軸滑移，滑移阻力降低,，有利于塑性變形,。然而，位錯(cuò)扎釘效應(yīng)的減弱同時(shí)降低材料的屈服強(qiáng)度,。

圖1 (a,b)氣霧化 CoCrMo 合金粉末的形態(tài),；(c)粒度分布；(d) LPBF加工示意圖,；(e)拉伸件的擺放示意圖和尺寸,。

圖2 柱狀晶生長(zhǎng)及其在拉伸應(yīng)力下的變形示意圖。(a)熔池和熱影響區(qū)的溫度梯度,；(b)垂直于熔池邊界的柱狀晶粒的成核和生長(zhǎng),；(c)在XOY和YOZ面上觀察到的柱狀晶粒的形態(tài)特征,；(d)柱狀晶取向?qū)�拉伸性能的影響�?/div>

固溶處理初步達(dá)成各向同性

1150 ℃/1 h的固溶處理激發(fā)再結(jié)晶，使得粗大的柱狀晶細(xì)化為等軸晶粒,，緩解與晶粒取向相關(guān)的應(yīng)力,，初步實(shí)現(xiàn)微觀結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能的均勻化。SHT未表現(xiàn)出明顯的擇優(yōu)取向,，且<001> 織構(gòu)強(qiáng)度顯著降低,。CoCrMo合金在加熱至再結(jié)晶溫度后，新晶粒在原始晶粒內(nèi)部形核并促使晶界遷移,，使晶粒生長(zhǎng)不受特定熱流方向的影響,。然而，此階段的屈服強(qiáng)度明顯下降,，這歸因于蜂窩狀結(jié)構(gòu)和馬氏體的消失,。位錯(cuò)及其他微觀缺陷的有效消除，降低裂紋萌生的概率,，并提高TDX的延展性,。然而，相較于AP-TDZ,，SHT-TDZ的伸長(zhǎng)率降低4%,，這主要源于再結(jié)晶消除沿柱狀晶長(zhǎng)軸取向的拉伸應(yīng)力對(duì)齊效應(yīng)。盡管熱處理后形成了大量退火孿晶,，但其增韌效應(yīng)不足以完全彌補(bǔ) AP-TDZ中柱狀晶對(duì)材料韌性的貢獻(xiàn),。

圖3 對(duì)應(yīng)YOZ和XOY平面的EBSD-IPF 圖。(a,、d)AP 樣品,；(b、e)SHT 樣品,；(c,、f)SAHT 樣品。

圖4 (a)微觀組織演變示意圖,；(b) AP-XOY面熔道軌跡和AP-YOZ面柱狀晶的IPF圖,；(c)再結(jié)晶形成等軸晶粒，消除取向效應(yīng),。

低溫退火實(shí)現(xiàn)勻質(zhì)化和強(qiáng)韌化
隨后450 ℃/0.5 h 退火處理進(jìn)一步引起拉伸強(qiáng)度和延展性趨于平衡,，分別達(dá)到906.1 MPa，20.2%（平行方向）和879.2 MPa,，17.9%（垂直方向）,。馬氏體板條互鎖形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，障礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)并在平行板條內(nèi)積累,。SAHT的強(qiáng)度提升歸因于納米馬氏體,，但由于熱處理消除了大部分內(nèi)部缺陷,，強(qiáng)度增幅有限。與FCC基體的規(guī)則原子排列相比,，孿晶界的原子結(jié)構(gòu)偏離均勻性,。孿晶界的不穩(wěn)定區(qū)域改變局部應(yīng)力分布，附近的板條并非完全連續(xù),，有輕微的角度偏移,。馬氏體板條通常阻礙位錯(cuò)滑移，但錯(cuò)位現(xiàn)象為被困位錯(cuò)提供額外滑移路徑,，緩解局部塑性變形。在再結(jié)晶晶粒中,，隨機(jī)分布的退火孿晶在變形過(guò)程中有助于適應(yīng)取向相關(guān)應(yīng)力,。因此，SAHT表現(xiàn)出最小的延伸率差異,。

圖5 納米級(jí)馬氏體板條的相互作用,。(a) FCC基體內(nèi)的大量板條；(b, e)相交區(qū)域形成了位錯(cuò)捕獲網(wǎng),；(c, f)平行板條內(nèi)的位錯(cuò)糾纏和堆積層錯(cuò),；(d)馬氏體板條分布于再結(jié)晶晶界兩側(cè)。

圖6 退火孿晶的軌跡分析,。(a)帶有退火孿晶的 IPF圖,；(b)取向差曲線。退火孿晶的TEM圖,。(c)分布在退火孿晶中的馬氏體板條,；明場(chǎng)(d)和暗場(chǎng)(e)顯示退火孿晶與馬氏體板條之間的相互作用；(f)孿晶界的HR-TEM圖,；(g, h) 黃色和藍(lán)色框的IFFT分析,。

總結(jié)與未來(lái)展望
這項(xiàng)研究揭示了 LPBF-CoCrMo 合金在微觀結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能上的各向異性行為，并驗(yàn)證了熱處理消除各向異性的有效性,，同時(shí)闡明了其潛在機(jī)制,。然而，該方法不可避免地導(dǎo)致材料強(qiáng)度的降低,。表面改性等后處理方法仍值得深入研究,，以改善熱處理后植入物的耐磨性和生物相容性，并力求達(dá)到或超越打印態(tài)CoCrMo合金的水平,。鑒于醫(yī)療植入物在人體內(nèi)承受復(fù)雜的循環(huán)載荷,，其長(zhǎng)期成功依賴于優(yōu)異的抗疲勞性能。噴丸處理作為一種表面改性技術(shù),，在提高疲勞性能方面展現(xiàn)出潛在優(yōu)勢(shì),，未來(lái)可進(jìn)一步探索激光噴丸和超聲波噴丸等先進(jìn)技術(shù),。聚焦于這些關(guān)鍵研究方向，在確保各向同性的前提下,，將有助于提升增材制造個(gè)性化植入物的綜合性能,，推動(dòng)其在臨床應(yīng)用中的發(fā)展。

本研究得到國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（2023YFB4606700）,、國(guó)家自然科學(xué)基金（52475350）,、中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)（2024ZYGXZR023）,、廣東省基礎(chǔ)與應(yīng)用基礎(chǔ)研究基金（2022B1515120066）的資助,。

作者簡(jiǎn)介

余家闊（通訊作者），清華大學(xué)長(zhǎng)聘教授,，博導(dǎo),，博士后合作教授，國(guó)務(wù)院政府特殊津貼,，北京市優(yōu)秀科技工作者,，中央保健會(huì)診專家。任清華大學(xué)附屬北京清華長(zhǎng)庚醫(yī)院骨科運(yùn)動(dòng)醫(yī)學(xué)中心主任,，膝關(guān)節(jié)外科主任,，清華醫(yī)學(xué)骨科與運(yùn)動(dòng)醫(yī)學(xué)研究所所長(zhǎng)。擔(dān)任國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃首席科學(xué)家,，國(guó)家自然科學(xué)基金儀器專項(xiàng),、重點(diǎn)項(xiàng)目、重點(diǎn)國(guó)際合作項(xiàng)目和區(qū)域聯(lián)合重點(diǎn)項(xiàng)目牽頭人,。在Science Translational Medicine,、 Advanced Materials、Advanced Science,、Advanced Functional Materials,、Bioactive Materials等期刊發(fā)表論文211篇。獲授權(quán)專利80項(xiàng),，主編副主編專著13本,，獲省部級(jí)一到三等科技成果獎(jiǎng)8項(xiàng)。成果轉(zhuǎn)化產(chǎn)品獲8張醫(yī)療器械注冊(cè)證（6張三類2張二類）,，2個(gè)產(chǎn)品獲創(chuàng)新醫(yī)療器械注冊(cè)證,。

宋長(zhǎng)輝（通訊作者），華南理工大學(xué)機(jī)械與汽車(chē)工程學(xué)院教授,，博士生導(dǎo)師,，廣東省增材制造協(xié)會(huì)副會(huì)長(zhǎng)，廣東省特支人才。長(zhǎng)期圍繞“激光增材制造裝備—多尺度形性調(diào)控—功能結(jié)構(gòu)件設(shè)計(jì)與應(yīng)用”開(kāi)展工作,。主持國(guó)家級(jí)項(xiàng)目7項(xiàng),，省部級(jí)項(xiàng)目8項(xiàng)。在International Journal of Machine Tools and Manufacture,、International Journal of Extreme Manufacturing等期刊一作/通訊作者發(fā)表SCI論文60余篇,，連續(xù)三年入選全球前2%頂尖科學(xué)家“年度影響力”榜單（2022-2024）， 2024年度中國(guó)知網(wǎng)“高被引學(xué)者”Top 1%（機(jī)械工程領(lǐng)域）,。授權(quán)專利100余項(xiàng),，主編/副主編編寫(xiě)專著4本。獲中國(guó)專利獎(jiǎng),、廣東省科技進(jìn)步二等獎(jiǎng),、北京市技術(shù)發(fā)明二等獎(jiǎng)等國(guó)家省部級(jí)獎(jiǎng)勵(lì)5項(xiàng)。