[發明專利]醫用鈦合金植入件彈性模量定制化的增材制造方法及應用

有效

• 申請號: 202011012011.3
• 申請日: 2020-09-23
• 公開（公告）號: CN112222409B
• 公開（公告）日: 2021-08-10
• 發明（設計）人: 李元元;羅炫;楊超;李冬冬;秦彥國;李寧
• 申請（專利權）人: 華南理工大學;華中科技大學;吉林大學
• 主分類號: B22F5/00
• 分類號: B22F5/00;B33Y10/00;B33Y50/02;B33Y80/00;A61L27/06;B22F3/105
• 代理公司: 廣州市華學知識產權代理有限公司 44245
• 代理人: 楊燕瑞

本發明公開了一種醫用鈦合金植入件彈性模量定制化的增材制造方法及應用，該制造方法包括植入物使役環境受力分析、基于彈性模量各向異性的工藝參數設計和增材制造成形。本發明原理為通過對植入物不同部位受力狀態進行分析，基于U型或V型熔池設計理念設計工藝參數并確定植入物的打印擺放位置，通過調控熔池散熱方向和柱狀晶001取向的生長方向，使得植入物各部位在承載方向上滿足001取向，達到調控彈性模量的目的。本發明可實現復雜植入物成形的同時實現植入物任意部位001取向的定制化，降低合金的彈性模量并解決應力屏蔽問題，可用于醫用β型鈦合金體系植入物彈性模量定制化，制備滿足生物力學相容性的各種人體植入物。

技術領域

本發明涉及鈦合金材料與增材制造技術領域，具體涉及一種醫用鈦合金植入件彈性模量定制化的增材制造方法及應用。

背景技術

鈦合金因具有比強度高、良好的生物相容性、抗疲勞載荷和耐蝕性以及較低的彈性模量而在生物醫用植入體材料領域得到廣泛應用。其中，Ti-6Al-4V合金使用最為廣泛，然而相對于人體皮質骨(彈性模量10-30GPa)，α+β型Ti-6Al-4V合金具有較高的彈性模量(～110GPa)，易產生應力屏蔽造成骨萎縮，并且其含有毒性元素Al和V。最近，β型鈦合金尤其(Ti_69.71Nb_23.72Zr_4.83Ta_1.74)_100-xSi_x(at.％,x＝0,2,5)因具有更低的彈性模量(42-69GPa)而受到研究者們廣泛關注，然而其彈性模量依舊偏高。目前，基于d電子理論(計算合金的平均結合次數平均d電子軌道能級)等理論設計β型鈦合金成分已很難進一步降低彈性模量(50-80GPa)。國內外研究者正嘗試基于調控織構的方法調控彈性模量，如軋制、擠壓、定向凝固等，然而這些工藝無法滿足復雜構件個性化定制的需求。因此，亟需尋找一種能降低醫用鈦合金植入體彈性模量并且滿足復雜構件個性化定制的制造方法。

作為一項制造領域正迅猛發展的新興技術，增材制造(也稱“3D打印”)通過逐層堆積的原理直接成形，具有復雜零件近凈成形、個性化定制等顯著優勢。尤其，利用3D打印技術中的選擇性激光熔化(Selective Laser Melting，SLM)和選擇性電子束熔化(SelectiveElectron Beam Melting，SEBM)冷卻速率快(10⁴～10⁵K/s以上)、溫度梯度分布個性化的特點，可實現不同織構組織的制備從而實現彈性模量的調控。例如，有研究者通過改變不同掃描策略實現了110取向和001取向的制備，所制備的Ti–15Mo–5Zr–3Al合金彈性模量分別為99.6±4.8GPa和68.7±0.9GPa，相較于傳統工藝制備所獲得的彈性模量(84.3GPa)明顯降低。但是，上述方法尚不能實現植入件不同受力部位都能匹配到最低的彈性模量(001取向)，因此，如何實現植入件任意部位001取向的定制化從而降低合金彈性模量是目前亟待解決的技術難題。

發明內容

本發明的首要目的在于解決現有技術存在的不足并提供一種醫用鈦合金植入物彈性模量定制化的增材制造方法。

本發明的另一目的在于提供一種通過上述方法制備任意擇優取向的醫用鈦合金。

本發明的再一目的在于提供上述任意擇優取向醫用鈦合金的應用。

本發明的第一目的可以通過采取如下技術方案達到：

一種醫用鈦合金植入物彈性模量定制化的增材制造方法，包括如下步驟：

S1、對植入物使役環境進行受力分析：根據不同解剖位置植入物的使役環境要求，采用有限元模擬軟件分析植入物各部位的受力狀態；

S2、對基于彈性模量各向異性的工藝參數進行設計：根據植入物的受力狀態構建合金中各個晶體的001取向的空間分布并逐層分解，基于U型熔池或V型熔池設計理念，完成工藝參數設計并確定植入件打印擺放位置；