摘要
选择性激光熔融（SelectiveLaserMelting,SLM）技术近年来在医疗与工程方面取得了重大进展，它的出现使得医用人造多孔骨骼支架有了更广阔的发展空间。在人造多孔骨骼支架植入中，支架的力学性能是决定支架长期功能性应用的前提条件，而支架力学性能的差异则是由支架本身的结构及成形工艺参数所造成的，拥有良好结构及优异性能的多孔骨骼支架对部分生物活性（细胞增殖）起着积极的作用。本研究通过有限元模拟结合实验的方法研究了多孔骨骼支架结构的设计及优化，同时也针对SLM技术的加工工艺参数对316L不锈钢多孔骨骼支架各方面性能的影响机理及后处理去应力进行了研究,最终获得了较为理想的多孔骨骼支架结构、成形加工参数以及去应力方案。 本研究共设计了6种（立方体结构、体心立方（BCC）结构、面心立方（FCC）结构以及以它们为基础设计的3种优化结构）不同的多孔骨骼支架结构以及18种不同的SLM加工参数方案，旨在更全面的探究结构和加工参数对多孔骨骼支架组织结构及性能的影响。实验中主要采用了静态力学有限元数值模拟及实验、流体力学模拟、SLM成形数值模拟及实验、抗腐蚀实验和热处理去应力模拟及实验等手段，总结了支架结构及加工工艺参数对多孔骨骼支架性能的影响机理，同时对不同加工参数所造成的骨骼支架中残余应力、枝晶间距、晶粒取向、瞬时熔池应力场等进行了讨论总结。研究结果表明，对常规结构进行优化后，力学性能提升较为明显，同时研究发现不同加工参数下支架中残余应力的大小及缺陷分布对支架的组织和性能有着较强影响，其中在建造多孔骨骼支架时采用的能量密度＜41.7J/mm3时虽能获得较低的建后残余应力，但是微观结构方面存在较多的孔洞、球化及未熔融缺陷，成形效果非常差，采用能量密度为41.7J/mm3时成形的常规/优化结构残余应力明显降低，表面球化、熔池表面裂纹等现象较少，随着加工能量密度的上升，当能量密度在≥100.0J/mm3时不仅支架内的残余应力急剧上升，并且在支架表面也出现了大量球化现象，残余变形较为严重。 通过研究支架的微观组织表明，对于支架的组织结构排布方面，采用过低或者过高的能量密度成形支架时熔池内会产生粗大晶粒、排布凌乱以及形状不一的组织结构，从而会导致支架的抗腐蚀性能下降，同时在机械性能方面表现较差。 对于多孔骨骼支架的热处理去应力方面，在经过800℃/1050℃热处理后，支架内部残余应力去除效果显著，最大去应力效果可接近90％左右。研究发现随着热处理温度的上升，会导致熔池内部晶粒形态及排布逐渐发生根本性改变，熔池内部晶粒逐渐增大，随着热处理温度的增高熔池内部晶粒由原始的等轴晶粒逐步演变成柱/块状大尺寸晶粒,鱼鳞纹熔池边界消失，原有的细微裂纹在晶粒长大过程中被消除，晶粒组织排布更加紧密，此时多孔骨骼支架的力学性能得到不同程度的改变，其中支架硬度随着热处理温度的升高出现下降的情况，并且所有支架的抗腐蚀效果均有下降。 最后，研究发现采用有限元模拟计算的方式在SLM成形骨骼支架中发挥了重要作用，有限元计算可以对建造过程、建后残余应力、热处理去应力处理等起到一定的预测及优化作用，从而为SLM的研究提供理论技术基础。
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