[发明专利]医用钛合金植入件弹性模量定制化的增材制造方法及应用

说明书

本发明公开了一种医用钛合金植入件弹性模量定制化的增材制造方法及应用，该制造方法包括植入物使役环境受力分析、基于弹性模量各向异性的工艺参数设计和增材制造成形。本发明原理为通过对植入物不同部位受力状态进行分析，基于U型或V型熔池设计理念设计工艺参数并确定植入物的打印摆放位置，通过调控熔池散热方向和柱状晶001取向的生长方向，使得植入物各部位在承载方向上满足001取向，达到调控弹性模量的目的。本发明可实现复杂植入物成形的同时实现植入物任意部位001取向的定制化，降低合金的弹性模量并解决应力屏蔽问题，可用于医用β型钛合金体系植入物弹性模量定制化，制备满足生物力学相容性的各种人体植入物。

技术领域

本发明涉及钛合金材料与增材制造技术领域，具体涉及一种医用钛合金植入件弹性模量定制化的增材制造方法及应用。

背景技术

钛合金因具有比强度高、良好的生物相容性、抗疲劳载荷和耐蚀性以及较低的弹性模量而在生物医用植入体材料领域得到广泛应用。其中，Ti-6Al-4V合金使用最为广泛，然而相对于人体皮质骨(弹性模量10-30GPa)，α+β型Ti-6Al-4V合金具有较高的弹性模量(～110GPa)，易产生应力屏蔽造成骨萎缩，并且其含有毒性元素Al和V。最近，β型钛合金尤其(Ti_69.71Nb_23.72Zr_4.83Ta_1.74)_100-xSi_x(at.％,x＝0,2,5)因具有更低的弹性模量(42-69GPa)而受到研究者们广泛关注，然而其弹性模量依旧偏高。目前，基于d电子理论(计算合金的平均结合次数平均d电子轨道能级)等理论设计β型钛合金成分已很难进一步降低弹性模量(50-80GPa)。国内外研究者正尝试基于调控织构的方法调控弹性模量，如轧制、挤压、定向凝固等，然而这些工艺无法满足复杂构件个性化定制的需求。因此，亟需寻找一种能降低医用钛合金植入体弹性模量并且满足复杂构件个性化定制的制造方法。

作为一项制造领域正迅猛发展的新兴技术，增材制造(也称“3D打印”)通过逐层堆积的原理直接成形，具有复杂零件近净成形、个性化定制等显著优势。尤其，利用3D打印技术中的选择性激光熔化(Selective Laser Melting，SLM)和选择性电子束熔化(SelectiveElectron Beam Melting，SEBM)冷却速率快(10⁴～10⁵K/s以上)、温度梯度分布个性化的特点，可实现不同织构组织的制备从而实现弹性模量的调控。例如，有研究者通过改变不同扫描策略实现了110取向和001取向的制备，所制备的Ti–15Mo–5Zr–3Al合金弹性模量分别为99.6±4.8GPa和68.7±0.9GPa，相较于传统工艺制备所获得的弹性模量(84.3GPa)明显降低。但是，上述方法尚不能实现植入件不同受力部位都能匹配到最低的弹性模量(001取向)，因此，如何实现植入件任意部位001取向的定制化从而降低合金弹性模量是目前亟待解决的技术难题。

发明内容

本发明的首要目的在于解决现有技术存在的不足并提供一种医用钛合金植入物弹性模量定制化的增材制造方法。

本发明的另一目的在于提供一种通过上述方法制备任意择优取向的医用钛合金。

本发明的再一目的在于提供上述任意择优取向医用钛合金的应用。

本发明的第一目的可以通过采取如下技术方案达到：

一种医用钛合金植入物弹性模量定制化的增材制造方法，包括如下步骤：

S1、对植入物使役环境进行受力分析：根据不同解剖位置植入物的使役环境要求，采用有限元模拟软件分析植入物各部位的受力状态；

S2、对基于弹性模量各向异性的工艺参数进行设计：根据植入物的受力状态构建合金中各个晶体的001取向的空间分布并逐层分解，基于U型熔池或V型熔池设计理念，完成工艺参数设计并确定植入件打印摆放位置；