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第 41 卷 第 1 期 邢 台 职 业 技 术 学 院 学 报 Vol.41 No.1 2024 年 2 月 Journal of Xingtai Polytechnic College Feb.2024 收稿日期：20230923 作者简介：郭浩宇（1993），河南商丘人，商丘工学院机械工程学院，助教。77 选区激光熔化 316L 不锈钢多孔材料的成型与力学性能 郭浩宇，张英豪，宋 哲（商丘工学院，河南 商丘 476000）摘 要：金属多孔结构因可以有效地解决植入体“应力屏蔽”效应带来的负面影响而备受关注。通过选区激光熔化技术(Selective laser melting,SLM)，成型了不同孔隙率的 316L 不锈钢多孔结构，探究了其成型过程后的表面形貌及力学性能。结果表明，SLM 制备的多孔结构表面无明显的裂纹、塌陷、翘曲变形等缺陷。成型的多孔结构孔隙率为 60%80%，弹性模量为 3.1564.906 GPa，满足了与人骨的匹配要求，并随着孔隙率的增加而降低。抗压强度随着孔隙率的增大而减小，为 204352 MPa，远高于人骨的强度。关键词：选区激光熔化；多孔结构；力学性能 中图分类号：TG665 文献标识码：A 文章编号：10086129（2024）01007703 多孔金属材料经常被应用于治疗骨科类疾病，例如人工关节置换和髋关节修复。与陶瓷和高分子材料相比较而言，金属材料具有机械强度高、抗疲劳能力强、易加工成形等优点，在骨稳定性重建和关节功能置换中发挥着重要的作用1。将多孔金属材料制成植入物，可以有效地缓解“应力屏蔽”造成的不利影响2,3。其中，多孔生物医用 316L 不锈钢由于其良好的生物相容性、优异的力学性能、对体液的耐腐蚀性、低廉的成本，已成为临床中广泛应用的医用植入材料4。随着众多学者对多孔结构的进一步研究，多孔结构显示出了显著的优越性。Chunze Yan 等人5成功制备了 Ti-6Al-4V 三周期极小曲面结构（TPMS），其互连孔隙率为 80%-95%，弹性模量在 0.12-1.25 GPa 范围内，与小梁骨的弹性模量一致。Sajad Arabnejad 等人6设计和建造了四面体和八元桁架，以探索孔隙大小和孔隙率对骨细胞生长的影响。Jaroslav 等人7利用选择性激光熔化技术成功制备了孔隙率 87%的 316L 不锈钢支架，并对其显微组织、力学性能、表面形貌进行了研究。选择性激光熔化（SLM）是一种重要的增材制造技术8。它将计算机辅助设计（CAD）与计算机辅助制造（CAM）相结合，能够对复杂结构的制造进行精确控制。该技术不仅具有高度的操作自由度，而且生产的零件致密度可达 100%9。此外，选区激光熔化技术可以利用高能激光束直接熔化金属粉末，从而实现零件的成形，减少了大量的中间环节，被认为是一种很有前途的制造技术，为种植体的制造提供了有效的技术支持10。综上所述，SLM 制备的多孔结构植入体，其孔隙率对力学性能存在显著的影响。本文通过设计系列不同孔隙率大小的多孔结构，分析 SLM 成型多孔结构表面的形貌特征，并探讨孔隙率与多孔结构力学性能的关系，为 SLM 制备多孔植入体提供理论依据。一、材料和方法 1.材料 本文所用的 316L 不锈钢粉末购自德国SLM-Solutions 公司，如图 1 所示，316L 不锈钢粉末的 SEM（TM3030Plus，日立，日本）图像，粉末颗粒球形度较好，表面光滑，有良好的流动促进性。粉体的粒度范围为 10-45 m，各元素含量见表1。实验前，将粉末进行烘干处理。图 1 316 不锈钢粉末颗粒的 SEM 图像 表 1 316L 不锈钢化学成分(wt.%)化学成分 wt.%C 0.03 Mn 2.00 邢台职业技术学院学报 2024 年 第 1 期 78 Si 1.00 Cr 16.018.0 Ni 10.025.0 P 0.045 S 0.03 Mo 2.03.0 Fe 余量 2.实验设备 利用 SLM 技术完成对多孔结构的制备。SLM设备(SLM125HL,SLM Solution,德国)的工作原理如图 2 所示，在激光熔化过程中，氮气被作为保护气体用来保护金属不被氧化。本实验选取的工艺参数如表 2 所示。压缩试验采用长春机械院研发的SDS100 型疲劳试验机进行。图 2(a)SLM 设备;(b)SLM 设备的工作原理 表 2 工艺参数 激光功率(W)扫描速度(m s-1)扫描间隙(mm)层厚(mm)扫描策略 250 800 0.10 0.02 单向 二、结果与分析 1.SLM 成型多孔结构的形貌分析 图3 多孔结构图（a）多孔结构试件；（b）多孔结构的表面形貌;（c）激光熔化粉末示意图 本实验设计的多孔结构如图 3 所示，其孔隙率分别为 50%、60%、70%和 80%。SLM 成型的多孔结构无明显的裂纹、塌陷、翘曲变形等缺陷。为了进一步探究多孔结构的表面特征，采用 SEM 观察多孔结构的微观结构。如图 3（b）所示，制备的多孔结构准确地复制了模型内部的网格结构。此外，多孔结构表面附着未完全熔化的球形粉末颗粒和焊接颗粒，形成孔隙和微小沟壑，导致多孔结构表面形貌粗糙。此现象归因于 SLM 的成型原理，高能激光束作用于粉床，金属粉末由固态变成液态，形成的熔池会吸附周围未能熔化的粉末颗粒，冷却凝固后，会焊接在多孔结构表面。2.SLM 成型多孔结构的力学分析 多孔结构的设计需要满足金属植入物在患者体内的生物相容性。通过植入体与患者骨骼弹性模量的匹配，可以有效解决“应力屏蔽”效应。对于种植体来说，高抗压强度可以增加种植体抵抗变形的能力，同时也增加了种植体的使用寿命，对患者的治疗效果有明显的促进作用。孔隙率是影响骨细胞生长的重要因素。有研究表明，当孔隙率大于50%时，有利于骨细胞的增殖和分化，且孔隙率越高，促进作用越明显。如图 4 不同孔隙率的应力-应变所示，316 L 不锈钢材料制备的多孔结构，具有出色的抗压强度。计算出 0.20.4 应变下应力的均值，可以得到设计的多孔结构抗压强度范围在204352 MPa，远高于人体骨骼的强度。此外，如图 5 所示，可以明显的观察到，随着孔隙率的增加，多孔结构的抗压强度有显著的下降，但即使孔隙率高达 80%，抗压强度也大于 204 MPa。如图 6 所示，多孔结构的孔隙率的增加，弹性模量同样也表现出下降的趋势，其弹性模量的范围在 3.1564.906 GPa，符合了与人体骨骼弹性模量相匹配的需求。0.00.10.20.30.40.50.00.20.40.60.8Engineering stress(GPa)Engineering strain 80%70%60%50%图 4 不同孔隙率多孔结构的应力-应变曲线 图5 不同孔隙率多孔结构的抗压轻度 图6不同孔隙率多孔结构的弹性模量 邢台职业技术学院学报 2024 年 第 1 期 79 三、结论（1）SLM的高能激光熔化金属粉末，形成过程的熔池会吸附周围粉末颗粒，导致S成型的多孔结构表面存在大量的焊接粒子。（2）SLM成型的多孔结构其抗压强度随着孔隙率的增大而减小，其范围为204352 MPa。（3）SLM成型的多孔结构其弹性模量随着孔隙率的增大而减小，其范围为3.1564.906 GPa。参考文献：1LIANGH X,YANG YW,XIE D Q,et al.Trabecular-like Ti-6Al-4V scaffolds for orthopedic:fabrication by selective laser melting and in vitro biocompatibilityJ.Journal of Materials Science&Technology,2019,35:1284-1297.2ZHAO J Q,ZHANG M,ZHU Y,et al.A novel optimization design method of additive manufacturing oriented porous structures and experimental validationJ.Materials&Design,2019,163:107550.3刘锋,吴伟辉.成分梯度材料零件的激光选区熔化成型J.光学精密工程,2020，28（07）：1510-1518.4曾寿金,吴启锐.选区激光熔化成型 316L 不锈钢多孔结构的力学性能J.红外与激光工程，2020（08）：59-67.5C.Yan,L.Hao,A.Hussein,and P.Young,Ti-6Al-4V Triply Periodic Minimal Surface Structures for Bone Implants Fabricated Via Selective Laser Melting,J.Mech.Behav.Biomed.Mater,2015,51,6173.6S.Arabnejad,R.Burnett Johnston,J.A.Pura,et.al,High-Strength Porous Biomaterials for Bone Replacement:A Strategy to Assess the Interplay Between Cell Morphology,Mechanical Properties,Bone Ingrowth and Manufacturing Constraints,Acta 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steel were investigated after the forming process.The results show that the surface of porous structure prepared by SLM has no obvious defects such as crack,collapse and warping deformation.The porosity of the formed porous structure is 60%-80%,and the elastic modulus is 3.156-4.906 GPa,which meets the requirements of matching human bone,and decreases with the increase of porosity.The compressive strength is 204352MPa,and decreases with the increase of porosity,which is much higher than that of human bone.Key words:selectivelaser melting(SLM);Porous structure;mechanical property