羟基磷灰石(HA)具有良好的生物相容性、生物活性、骨传导性以及无毒和无炎性，然而HA的低强度阻碍了其在承重植入物中的应用。而钛合金具有高强度、生物相容性好和耐腐蚀的优点非常适合承重植入物，但是它缺乏生物活性特性。因此，近年来人们对使用钛合金合金和HA的组合制造植入物产生了极大的兴趣。目前已经有报道使用LPBF工艺制造了Ti-HA 复合材料，并且提出了对Ti-HA复合系统的机械性能的见解。然而，目前尚未有文献全面探讨最重要的HA粉末特性对零件微观结构和机械性能的影响。
近日，加拿大麦克马斯特大学Eskandar Fereiduni团队和中山大学的陈建宇等人合作考察了羟基磷灰石(HA)粉末粒度和含量对激光粉末床熔融(LPBF)制造的Ti-6Al-4V(Ti64)-HA 复合材料的加工性能、微观结构和机械性能的影响。相关结果以“Processing of hydroxyapatite (HA)-Ti-6Al-4V composite powders via laser powder bed fusion (LPBF): Effect of HA particle size and content on the microstructure and mechanical properties ”为题发表在《Journal of Materials Research and Technology》上。
论文链接：https://doi.org/10.1016/j.jmrt.2023.05.111
研究要点
首先研究人员将Ti-6Al-4V基粉与HA粉混合。复合系统的命名如表1所示。SEM（图1）表明HA颗粒在整个Ti64-HA复合粉末系统中均匀分散并且没有明显的团聚，大部分HA颗粒粘附Ti64粉末颗粒的表面。EDS分析表示粘附颗粒由HA的构成元素Ca、P和O组成。通过测量不同复合粉末的光反射率随波长的变化清楚地揭示了修饰的粉末颗粒在增强光/颗粒相互作用方面的重要作用，从而降低了反射率。
表1 本研究中分配给不同复合系统的名称
图1 SEM 显微照片：(a)1%-M、(b)1%-N、(c)2.5%-M、(d)2.5%-N复合材料、(e)Ti64粉末。(g,h,i)为(f)中所示的2.5%-M复合粉末的元素EDS 图(j)Ti64、HA-M、HA-N和不同复合粉末的光反射率随波长的变化。
随后研究人员表征了材料的机械性能。纳米压痕载荷-位移曲线（图2）结果表明所有材料均呈现弹塑性。掺入HA后引起的强化效应使得复合材料中观察到最大穿透深度相比Ti64显著降低。并且HA含量越高，最大渗透深度越低。添加1 wt% HA（微米级或纳米级）和2.5 wt% HA分别导致纳米硬度增加约30%和75%。应力-应变曲线（图3）显示Ti64的屈服强度为1080 ± 36 MPa，1%-M和1%-N复合材料的屈服强度分别比整体Ti64高19%和17%。很明显，HA粒度对纳米硬度和屈服强度方面的机械性能没有显著影响。
图2 LPBF制造的纳米压痕载荷-位移曲线：(a) 1%-M、(b) 1%-N、(c) 2.5%-M 复合材料和 (d) 整体 Ti64 样品。(e)整体式Ti64、1%-M和2.5%-M样品的代表性载荷-位移曲线。(f) LPBF 制造的整体Ti64和不同复合样品的平均纳米硬度。
图3 LPBF制造的纳米压痕应力-应变曲线：(a)整体Ti64，(b) 1%-M，(c) 1%-N，和(d) 2.5%-M 样品。(e)从(a–d)中的纳米压痕衍生应力-应变曲线获得的样品的平均屈服强度。
最后研究人员进行了显微结构表征，结果表明：Ti64、1%-M和1%-N样品都没有裂纹，而图（4）中结果显示2.5%-M和2.5%-N样品包含分布在整个零件中且方向随机的高频长裂纹。随后通过EBSD分析检查了该样品中包含裂纹的区域，揭示了所研究裂纹的跨晶性质，并表明裂纹没有沿着PBG（晶间）传播。
图4 (a)OM和(b)来自LPBF制造的2.5%-M样品横截面的SEM图像。(c)反极图(IPF-X)、(d) 重建的PBG和(e)核平均取向误差(KAM)EBSD图，来自裂纹及其邻近区域。
总结
本研究探讨了HA含量对Ti64-HA复合材料样品的LPBF可加工性、微观结构和机械性能的影响。结果如下：无论使用的体积能量密度如何，含1 wt% HA 的复合样品无裂纹产生。然而，在含有2.5wt.%HA的L-PBF制造的复合材料中发生了一些断裂。与Ti64相比，向Ti64中添加HA可以提高纳米硬度和屈服强度，并且这种提高与引入的HA含量成正比。在给定HA含量的条件下，掺入的HA尺寸的不同对复合材料的力学性能没有显著差异。
