摘要
人体骨骼是内部具有不规则孔隙结构的非均质性复合材料；即使在同一部位，机械力学性能在各向也有很大差异，植入替代物和原有骨骼的弹性模量不匹配而导致的“应力屏蔽”。虽然，针对此问题，有研究提出采用选区激光熔化SLM制备钛合金不规则多孔结构人体植入物是非常有效的办法，可以将实体结构植入物的杨氏模量降低到人体骨组织的杨氏模量范围内，能够缩小骨组织与钛金属植入物的力学性能差异，一定程度上解决了“应力屏蔽”问题；然而，SLM制备多孔结构，在成型过程中，样件内部会积聚残余应力，导致样件塑性差，疲劳性能不佳，易发生脆性断裂等问题。因此，本文选用钛合金材料Ti6Al4V，基于正交分析以致密度为目标，优化SLM成型工艺参数，制备了不规则多孔结构的人体植入物，同时，根据材料特性，采用退火热处理工艺，消除样件在成型过程中产生的残余应力，提高样件的力学性能和疲劳性能。本文具体的研究内容如下： 首先，基于Voronoi-tessellation原理，利用Grasshopper插件进行参数化设计，实现不规则多孔结构的建模。通过正交试验分析，以优化致密度为目标，确定最佳成型工艺参数。 其次，根据SLM成型样件特点选取两组退火工艺，消除应力退火与完全退火。两组退火工艺对显微组织和显微硬度的影响不同，消除应力退火主要消除多孔结构在SLM成型过程中产生的残余应力且显微组织前后变化不明显；完全退火热处理在消除残余应力的同时改变了微观组织，使微观组织从亚稳定的α''相转变形成了α+β稳定组织。????? 再次，通过对本文设计多孔结构进行准静态压缩力学性能试验。多孔结构的杨氏模量在骨组织的杨氏模量(0.1～30GPa)参数范围内，满足骨组织的力学性能的要求且抗压强度提高。同时，验证不规则多孔结构的杨氏模量和抗压强度随孔隙率的增加而减小与Gibson-Ashby模型符合。 最后，疲劳力学性能测试，疲劳试验在0.2σy应力水平下。比较样件在未退火和完全退火前后，多孔结构的疲劳性能，发现多孔结构的疲劳性能随着孔隙率的减小而增加。同时，退火热处理工艺极大地改善多孔结构的疲劳性能，多孔结构在完全退火后的循环次数是未退火多孔结构的4倍以上。
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