文/大壮实验室前言AMed钛合金作为一种重要的生物材料，其表面的平滑度和残余应力，对其生物相容性和机械性能具有重要影响。
AMed钛合金经喷砂和LEB辐照相结合后，其表面平滑度和残余应力的变化，通过表面粗糙度和表面应力的测试与分析，可以深入了解这种处理方法对AMed钛合金表面性能的改善与优化。
一、激光束增材制造工艺最近开发了金属产品的增材制造(AM)工艺，该工艺适用于生产，具有复杂形状的三维(3D)物体，例如多孔结构、晶格结构和具有复杂冷却通道的金属模具｡展示了激光束增材制造工艺，在工业界和学术界的应用，粉末床熔融(PBF)和定向能量沉积(DED)，在工业领域已普遍应用于生产AMed金属产品。
在PBF工艺中，通过激光束或电子束(EB)逐层扫描，金属粉末被选择性地熔化并重新凝固，然后，通过PBF可以生产形状精度较高的AMed金属制品｡Ti-6Al-4V合金等钛合，金因其优异的耐腐蚀性能和强度，而被广泛应用于人体金属植入物，电子束熔炼(EBM)，通常用于生产AMed钛合金产品，因为EBM可以在真空环境下抑制钛合金表面的氧化。
这表明三维网状钛支架，可以通过EBM生产，患者特定的钛细胞网，可以根据各种设计成功制造，并直接根据CAD数据进行修改｡然而，一般来说，AMed金属制品具有粗糙的表面，因为AMed金属制品的表面上布置有较大的珠子｡特别是，通过EBM获得的AMed金属制品，其表面粗糙度超过200μmRz，这是非常大的粗糙度｡此外，AMed金属表面会产生飞溅、空洞等表面不规则现象，粗糙的表面和表面不规则，会导致疲劳强度降低｡喷砂通常用于AMed金属产品的高效表面处理，在此过程中，喷砂介质对表面产生较大的冲击，较大的表面粗糙度会降低效率｡此外，喷砂表面的表面形貌，会因喷砂条件和喷砂介质的形状(例如圆形喷丸介质和角形砂砾介质)而改变｡并且还可向喷砂表面引入残余压应力，提高疲劳强度，然而，将表面粗糙度降低到几微米Rz是有限的，并且喷砂介质可能会残留在AMed金属表面上｡虽然铣削可以获得较高的形状精度，但该工艺需要更长的加工时间，并且与大块金属制品相比，铣削增材制造金属制品时会出现更大的刀具磨损｡电化学抛光，可以使晶格和多孔结构的自由曲面变得光滑，但难以保持形状精度，并且该技术会导致环境负担｡然而，由于必须用小光斑直径的激光束扫描，并重叠在表面上，因此很难均匀地平滑金属表面的大面积区域｡另一方面，在大面积电子束(LEB)照射方法中，直径为60毫米的LEB可用于均匀、瞬间熔化大面积金属表面｡通过LEB照射，可以有效地进行表面平滑，该技术可应用于模具钢、钛合金、不锈钢和硬质合金的表面光滑和改性｡高深宽比孔的底面，，也可以通过在磁场控下，引导LEB来平滑，通过激光束PBF产生的AMed马氏体时效钢和铝合金的飞溅，和空洞等表面不规则现象，可以通过LEB照射进行有效修复。
此外，AMed金属制品的表面粗糙度，可以降低至几个μmRz，由于电子容易集中在凸部，AMed金属制品的焊道，和飞溅物的凸出部分，在LEB照射下优先熔化蒸发｡然而，通过LEB照射来平滑表面粗糙度，超过100μmRz的表面并不容易，此外，LEB辐照过程中工件表面的快速加热和冷却，可能会在工件表面产生残余拉应力。
因此，喷砂和LEB辐照的组合技术，有望显著降低表面粗糙度并减少残余拉应力，我们提出了通过喷砂和LEB辐照相结合的方式，对AMed钛合金(Ti-6Al-4V)进行表面平滑和残余应力的改变｡采用喷砂介质对AMedTi-6Al-4V合金表面，进行喷砂处理，在一定程度上，降低了初始较大的表面粗糙度｡表面形貌例，如表面粗糙度Rz的最大高度，和粗糙度曲线的平均宽度Rsm，根据喷砂条件而改变｡然后，对喷砂后的表面进行LEB照射，进一步降低表面粗糙度，通过热流体分析研究，并讨论了喷砂表面形貌对LEB辐照平滑效果的影响｡二、电子束熔炼(EBM)形成AMedTi-6Al-4V合金EBM工艺中，使用钛合金(Ti-6Al-4V)粉末，颗粒尺寸在45至106μμ范围内，Ti-6Al-4V合金的热性能和物理性能。
在EBM过程中，用光斑直径为500μm的EB，在金属粉末上进行扫描，EB扫描间距固定为100µm，层厚度也固定为50µm｡EB扫描方向与正交方向(90°)逐层交替，生产出形状为25×25×25mm的长方体AMedTi-6Al-4V合金｡钢砂对AMedTi-6Al-4V合金侧面施加冲击，喷嘴间距设置为150mm，然后，通过在200mm/min的恒定喷嘴，进给速度下移动工作台，对25×25mm的区域进行喷砂｡不同喷砂条件下，喷砂表面的表面粗糙度最大高度Rz，和粗糙度曲线平均宽度Rsm，喷砂表面的表面形貌，随喷砂条件的变化而变化｡具有几乎相同的63μmRz的表面粗糙度，和不同的390μmRz和690μmRz的平均宽度Rsm的喷砂表面 ｡同时，还获得了具有几乎相同的平均宽度Rsm(390μm)和不同的表面粗糙度(54、62和72μmRz)的喷砂表面｡三、喷砂或LEB照射的平滑效果LEB照射在氩(Ar)气气氛下，在10-2 Pa的压力下进行 ，能量密度高、分布均匀的LEB，可通过阴极爆炸性电子发射照射到工件表面｡直径约60毫米的LEB，可以瞬间均匀地熔化金属表面，无需聚焦光束，LEB可以照射到喷砂后的AMedTi-6Al-4V合金的侧面｡通过喷砂或通过LEB照射的AMedTi-6Al-4V合金的平滑效果，合金表面、喷砂处理后和LEB照射后的光学图像和粗糙度曲线｡表面粗糙度，通过接触式表面粗糙度仪，沿垂直于焊道方向测量，表面粗糙度的测定基于ISO4288:1996的标准进行｡然后，评价表面粗糙度的最大高度Rz和粗糙度曲线的平均宽度Rsm，EBM处理的AMedTi-6Al-4V合金表面，具有非常大的表面粗糙度，约为265μmRz｡喷砂后，由于有角形状的钢砂，对AMedTi-6Al-4V合金表面产生冲击，表面形貌变为平均宽度较小的小突起｡粗糙度曲线Rsm的平均宽度，从510µm减小到390µm，然而，另一方面，AMed钛合金表面的小凸部被LEB照射熔化、平滑化｡然而，AMedTi-6Al-4V合金表面，在LEB辐照后仍然存在较大的起伏，LEBed表面的平均宽度为550μm，表面粗糙度约为48μmRz，仍然很大｡通过喷砂或通过LEB辐照，很难将AMedTi-6Al-4V合金，超过200μmRz的非常大的表面粗糙度降低到几个μmRz｡四、喷砂表面形貌对LEB辐照光洁效果的影响喷砂表面的表面形貌，对LEB辐照平滑效果的影响，LEB照射到表面粗糙度，几乎相同(63µmRz)和不同平均宽度(390和692µm)的喷砂表面｡通过LEB照射，平均宽度为390µm的喷砂表面的表面粗糙度降至4.3µmRz，同时，平均宽度为692µm的喷砂表面的表面粗糙度，降至9.9µmRz｡表面粗糙度的降低率，与各喷砂面的平均宽度之间存在良好的关系，减少率几乎，随着喷砂表面平均宽度的减小而线性增加｡喷砂表面平均宽度，与减少率之间的相关系数为-0.95，表面粗糙度Rz对表面粗糙度α降低率的影响，减少率不受喷砂表面粗糙度的影响｡喷砂表面粗糙度与压下率的相关系数为0.12，可以看出，当以适当小的平均宽度对喷砂表面进行LEB照射时，LEB照射的平滑效果会大大提高｡在平均宽度为309μm的小喷砂面的情况下，压下率达到约93%，表面粗糙度为2.3μmRz ，通过喷砂和LEB辐照的结合，AMedTi-6Al-4V合金表面的表面粗糙度从265Rz显着降低至约2.0µmRz｡五、残余应力分布减少LEB照射引起的残余拉应力的可能性，残余应力可以通过X射线残余应力测量系统(PLUSETECIndustrialCo.，Ltd.，μX-360s)测量｡系统采用cosα法捕获德拜环，X射线照射角度设定为25°，工件表面的X射线光斑直径约为1mm｡为了测量深度方向上的残余应力分布，每次测量时都对工件表面进行电解抛光，AMed金属制品，具有各向异性特性，AMed金属制品的残余应力在扫描方向和/或构建方向上发生变化。
在X射线残余应力测量中，无论喷砂和/或LEB照射，垂直于构建方向测量AMedTi-6Al-4V合金侧面的残余应力｡AMedTi-6Al-4V合金喷砂后、LEB照射后、喷砂+LEB照射后，从上表面到深度方向的残余应力分布｡对于AMedTi-6Al-4V合金，几乎不存在残余应力，同时，仅通过喷砂就可以将约600MPa的压缩残余应力引入到顶表面，并且将压缩残余应力引入到约250μm的深度｡另一方面，仅通过LEB辐照，AMedTi-6Al-4V合金表面顶部，就产生了670MPa的残余拉应力，并且残余拉应力从顶面残留到约150μm的深度｡相比之下，在喷砂和LEBed表面的情况下，顶表面的最大拉残余应力减小至约600MPa，并且拉残余应力的深度也减小至约25μm。
此外，喷砂产生的压缩残余应力，残留在25μm以上的深度，当对喷砂表面进行LEB照射时，由LEB照射引起的拉伸残余应力减小，并且拉伸残余应力的深度也减小｡喷砂表面的平均宽度，对LEB照射表面粗糙度的降低率影响很大，我们讨论了通过LEB照射，对平均宽度较小的喷砂表面，提高平滑效果的机制｡建立了使用流体体积(VOF)方法的热流体分析模型，该模型可以将熔融金属的流动，视为具有自由表面的液体。
在VOF方法中，分析模型通常分为立方体单元，并且在每个单元中定义流体分数，液体部分显示每个细胞的状态｡流体分数表示空隙区域，流体分数1.0表示流体区域，1.0之间的流体分数，表示自由表面的边界｡通过使用该平流方程，可以计算每个单元中每个时间的流体分数，然后，确定自由表面的形状和运动｡可以通过VOF方法的热流体，分析来计算熔融金属流动的非稳态和材料温度分布，在1次喷射时，具有不同平均宽度的工件的液体分数分布的时间变化｡在液体分数中，熔点以上的区域被定义为液相，并且通过等高线显示熔化区域的范围，在热输入结束时间2.0μs时，LEB照射时工件表面均匀熔化｡然后，由于表面张力和部件处的热扩散困难，凸部变圆，在5.0μs时，由于顶面的传热，熔融金属的深度增加，并且凸部处的熔融金属显着流入凹部｡较小平均宽度300μm的凸部处的熔融金属的厚度，大于较大平均宽度600μm的凸部处的熔融金属的厚度｡所以较小平均宽度的凸部处的熔融金属，其温度高于较大平均宽度的凸部处的熔融金属的温度｡六、结论提出了采用喷砂和大面积电子束(LEB)辐照相结合的方式，对表面粗糙度非常大的AMedTi-6Al-4V合金，进行表面平滑处理｡还通过热流体分析检查，讨论了喷砂表面的表面形貌对LEB辐照平滑效果的影响，此外，还研究了减少LEB照射引起的残余拉应力的可能性｡AMedTi-6Al-4V合金超过200μmRz的非常大的表面粗糙度很难仅通过喷砂或仅通过LEB照射而降低到几个μmRz｡通过喷砂和LEB辐照的结合，AMedTi-6Al-4V合金的表面粗糙度可以显着降低至2.0µmRz左右｡随着喷砂表面平均宽度的减小，LEB照射的表面粗糙度，降低率几乎呈线性增加，当LEB照射到具有适当小的平均宽度的喷砂表面时，LEB照射的平滑效果大大提高｡喷砂表面平均宽度，对LEB辐照平滑效果的影响，可以通过热流体分析来解释，平均宽度较小的凸部，温度高于平均宽度较大的凸部温度。
于是，平均宽度较小的凸部的优先熔融增加，熔融金属量也增加，平均宽度较小的凸部处的熔融金属由于表面张力而显着流入凹部｡当LEB照射到喷砂表面时，LEB照射引起的残余拉应力减小，并且残余拉应力的深度也减小，喷砂和LEB辐照的结合，对于AMedTi-6Al-4V合金的表面，平滑和残余应力的改变是有效的。
通过喷砂和LEB辐照相结合的处理方法，可以显著改善AMed钛合金的表面平滑度和调控残余应力，从而提高其生物相容性、机械性能和耐磨性能，具有广泛的应用潜力。
未来的研究可以进一步探讨不同的处理参数，对残余应力和耐热性的影响，以优化AMed钛合金的制备工艺，提高其性能和应用范围。