随着居民的平均寿命的上涨，人体的骨骼组织病变案例也越来越多。随着治疗方法的更新换代，越来越多的骨骼组织病变可以采用使用人造植入物进行替换的方法治疗。

人造植入物艺术效果图

图源：LAM新媒体

生物医用材料作为材料科学领域的一个重要分支，技术含量高且有着巨大的利益和市场：近10年来，生物医用材料的市场增长率保持在20-25%，世界人口近65亿,据不完全统计,伤残者接近4亿,肢体伤残者6000万,牙病患者更是有约20亿。而目前生物材料器件植入者仅有3500万人,每年关节置换量约150万例,与实际需要置换者的数量相差甚远。因此,生物医用材料市场需求潜力巨大。

目前，常见的金属材料如316不锈钢、纯钛、TC4、钴基合金以及贵金属等被广泛应用于生产人体植入物，如义齿、骨板、关节等，如图1所示为典型的金属植入物。

图1 典型的人体植入物材料

然而，上述材料的弹性模量均远大于人体骨骼的杨氏模量，金属植入物与人体骨骼的杨氏模量不匹配会引发人体生理不适。

所以需要开发一种具有良好的生物相容性和低毒性甚至无毒性、耐摩擦磨损、耐腐蚀以及具有力学性能与人体骨骼相匹配的植入物材料。

钛合金由于具有优良的力学性能和良好的生物相容性被广泛运用于生产人体植入物。其中，钛钼（Ti-Mo）合金具有很强的耐腐蚀性、耐磨擦磨损性能、高强度、无毒性以及具有很低的弹性模量使其具备更好地生物相容性，并促进骨组织再生，是作为人体植入物的优先选择材料。

在实际的医疗案例中，由于不同病患患病部位的不同，以及其本身的性别，年龄，体型的不同，每一位患者所需要的植入物的形状尺寸都是不同的。如果采用传统的加工方法，例如切削加工，则有以下缺点：

（1）难以生产结构形状复杂的零件；

（2）切削加工去除了大量的材料，材料的利用率低；

（3）切削加工破化了组织中的流线，降低了构件的力学性能。

（4）由于医疗案例中每一个零件基本都是单件生产，如果采用传统的制造方法，则设计摸具及加工等工艺会大幅度增加最终成型零件的成本。

激光立体成形技术是一种增材制造（3D打印）技术，作为一种新兴的制造技术，具有设计制造周期短、无需模具、可以成形复杂零件、制造柔性高等优点，近年来在世界范围内得到了广泛的关注和发展。

而在金属医用植入物领域，由于植入物的特殊性，包括独特而复杂的结构设计以及单件或小批量的生产模式，特别适合采用激光立体成形技术进行生产。所以利用激光立体成形技术生产Ti-Mo合金植入物具有十分广阔的应用前景。

然而，LSF工艺直接生产的沉积态Ti-Mo合金组织均匀性较差，力学性能还有较大的提升空间。

为此，西北工业大学黄卫东教授（中国铸造学会第九届理事长、国家科技部3D打印专家组组长、中国机械工程学会增材制造分会副理事长）（人物介绍>）和林鑫教授（人物介绍>）团队提出采用一种新型热处理技术，极大的改善沉积态Ti-Mo合金组织均匀性，调控其力学性能，从而与人体骨骼的力学性能更加匹配，可以使3D打印人体植入物在医疗领域获得更广泛的应用。

该成果以 Effect of cycling heat treatment on the microstructure, phase and compression behaviour of directed energy deposited Ti-Mo alloys 为题发表在 Light: Advanced Manufacturing。

本文第一作者是西北工业大学材料学院康楠副教授（人物介绍>），通讯作者是康楠副教授与林鑫教授。

激光立体成形直接制备的Ti-Mo合金运用电子背散射衍射（EBSD）进行相分析的结果如图2所示，图（a）、（b）、（c）分别对应于试样的上中下部。可以看到试样上中下均为α+β双相组织，试样的α相含量从顶部到底部不断减小，试样的β相从顶部到底部逐渐增大，表现出典型的梯度组织不均匀性。

图2 激光立体成形制备的Ti-Mo样品中α-hcpTi和β-bccTi的分布和形态（a）P1顶部；（b）P4中间；（c）P7底部区域；（d）相组成统计数据

本文针对激光立体成形直接制备的Ti-Mo合金存在的组织不均匀性，提出一种新型的三重循环热处理技术来调控Ti-Mo合金的组织和力学性能。对激光立体成形直接制备的Ti-Mo合金进行三重循环热处理，得到的组织如图3所示。可以看到经过热处理的试样从顶部到底部的组织十分均匀，均为以α为主的近α组织。这说明，经过三重循环热处理，试样的组织均匀性得到很大的改善。

图3 激光立体成形制备的热处理态Ti-Mo样品中α-hcpTi和β-bccTi的分布和形态（a）P1-top；（b）P4中间；（c）P7底部区域；（d）相组成统计数据

这样的组织的转变是由于三重循环热处理过程，保温时间长，炉内冷却速率低，非平衡亚稳态β相转变成平衡α相，从而使得试样从顶部到底部的组织趋于热力学稳定态。

对激光立体成形Ti-Mo合金进行三重循环热处理不仅可以改善合金的组织均匀性，而且可以提高合金的力学性能。图4位激光立体成形Ti-Mo合金沉积态试样和热处理后测试的压缩应变应力曲线。

图4 激光立体成形制备的样品在加工后（a，b）和热处理条件下（c，d）的压缩应变-应力曲线

可以看到，经过热处理的Ti-Mo合金与沉积态合金相比具有更高的强度和韧性。此外，与沉积态样品相比，经过热处理的样品在强度，延展性和断裂行为方面均表现出更加均匀的力学性能。这种机械性能的均匀化得益于循环热处理后微观组织梯度的极大减轻。

通过对激光立体成形Ti-Mo合金进行三重循环热处理，可以极大的改善沉积态组织的不均匀性，此外还能在提高Ti-Mo合金的力学性能的同时改善力学性能的稳定性。

通过激光立体成形Ti-Mo合金和三重循环热处理可以快速制备具有组织性能稳定，生物相容性好，与人体骨骼力学性能匹配的高可靠植入物，从而在生物医疗领域展现巨大的应用前景。

论文信息

Nan Kang, Kai Wu, Jin Kang, Jiacong Li, Xin Lin, Weidong Huang. Effect of cycling heat treatment on the microstructure, phase, and compression behaviour of directed energy deposited Ti-Mo alloys[J]. Light: Advanced Manufacturing. doi: 10.37188/lam.2021.016