[发明专利]医用高耐磨钛合金复合材料及3D打印梯度原位纳米复相减磨医用钛合金的方法

说明书

本发明公开一种医用高耐磨钛合金复合材料及3D打印梯度原位纳米复相减磨医用钛合金的方法，结合碳化硼陶瓷与钛合金的物理特性，采用激光选区熔化成形工艺，高能激光作用下有利于活性元素碳与硼沿碳化硼陶瓷颗粒向外呈辐射状梯度扩散，易与医用钛合金原位合成Ti‑B、TiB₂、TiC等纳米陶瓷增强相。一方面促进梯度式陶瓷颗粒/钛合金界面的形成，显著增强其界面的润湿性能；另一方面基于原位自生复相纳米陶瓷颗粒优异的物性及其均匀弥散强化效应，能有效提升医用钛合金的摩擦磨损特性，实现高性能医用钛合金的制造，具有良好的临床应用前景及经济价值。

技术领域

本发明涉及一种3D打印梯度原位纳米复相减磨医用钛合金的方法，特别是一种基于激光选区熔化成形高耐磨性医用钛合金的成形方法，属于高性能医用钛合金制造领域。

背景技术

生物医用金属材料因具有优良的综合性能而被临床应用较多的生物材料，己在人工关节、牙种植体、心脏瓣膜及人工器官等植入体材料中得到临床应用，且取得良好的使用效果。其中，钛合金具有良好的生物相容性、高比强度、耐蚀性强、可加工性好、弹性模量较低等优点，是临床应用较为广泛金属材料，是人体器官、组织等替代材料的良好选择，己被应用于人体人工心脏瓣膜、血管支架、关节置换植入物及心脏模拟器等领域。医用钛合金弥补了传统材料存在的不足，给患者带来福音，对人类健康具有重要意义。

但钛合金在人体服役过程中存在耐磨性欠佳的缺点，易致使其与人体骨骼相互作用过程中产生磨屑与微粒进入组织、血液中而引起其周围人体组织的过敏、感染，导致其过早失效，另外，磨屑的积累，引起细胞的宿主反应，导致骨吸收损害骨结构，造成关节的无菌松动，进而大幅增加二次手术的概率，给患者带来二次病痛及经济负担。

陶瓷增强相拥有高硬度、高耐磨性等综合性能，因而被用于提升医用钛合金骨植入体的综合性能。当前，改善医用钛合金耐磨性的主要有以下途径：一是采用材料表面改性方法（如，物理气相沉积、化学气相沉积、激光熔覆、微弧氧化等）在医用钛合金表面制备陶瓷薄膜/涂层，以提升其耐磨性能。但因涂层与基体间晶格失配及物性的差异，易产生较高的残余应力、涂层/基体界面结合强度下降，在人体复杂的生理环境及交变/循环载荷应力交互作用下极易产生裂纹，甚至疲劳断裂，导致其提前失效；二是利用材料成形工艺方法成形陶瓷增强钛合金复合材料，耐磨性能取得较为显著的提升。然而，陶瓷/钛合金界面的调控已成为高性能钛合金复合材料面临的关键技术难题，也是限制其性能提升的重要因素。

梯度界面可连续控制微观结构，使其成分、组织连续变化，增强陶瓷/金属的界面性能，实现其界面的组分与结构的梯度过渡，进而大幅缓和热应力以及消除界面缺陷。现有技术一借助自蔓延高温原位合成反应，制备金属/陶瓷梯度材料，且金属/陶瓷梯度材料反应充分、致密度高、梯度界面之间结合质量好。但熔炼法存在工艺复杂、能耗高、成形精度较低等问题，已严重限制其性能的提升。

激光增材制造采用激光逐层高温加热使选区内金属材料完全熔化的方式（层厚<50μm），实现结构复杂、高精密零件的净成形，无需复杂的后处理，大幅缩短了制造周期并降低了生产成本。该先进制造技术优异的成形性能、较高的加工精度及良好的冶金结合性是传统制造工艺无法比拟的，这些特点尤为适用于形状复杂钛合金骨植入体的精密制造。同时，激光快速凝固有利于晶粒细化及提高强度，进一步提升复合材料的力学性能。现有技术二利用3D打印方法成形ZrO₂、Al₂O₃陶瓷增强钛合金复合材料生物植入制件，获得生物相容性好，组织致密可控，力学性能适配，具有优良的耐蚀抗磨损性能，生产周期短，制作成本低。

因此，基于先进的激光3D打印制造技术，成形梯度纳米强化相增强医用钛合金，能有效提升目前医用钛合金在人体复杂生理条件下的耐磨性能，显著延长其在人体内的服役寿命，降低患者的病痛与二次手术费用，具有良好的社会效应与经济效益。

发明内容