消除激光增材超過1倍的顯著各向異性，定制均質(zhì)強(qiáng)韌鈷鉻鉬全膝假體

作者：余家闊（通訊作者）宋長輝（通訊作者）
來源：Materials Futures

近年來，增材制造（AM）技術(shù)在個(gè)性化醫(yī)療植入物的臨床應(yīng)用中取得了顯著進(jìn)展。華南理工大學(xué)與清華長庚醫(yī)院的研究團(tuán)隊(duì)聯(lián)合提出一種優(yōu)化的熱處理方法，成功改善激光粉末床熔融（LPBF）CoCrMo合金的各向異性。這項(xiàng)研究依托納通生物研發(fā)的全球首例獲創(chuàng)新醫(yī)療器械注冊(cè)的激光增材制造全膝關(guān)節(jié)假體，結(jié)合固溶與退火的熱處理工藝，有效提升合金的各向同性。該方法降低潛在薄弱區(qū)域的失效風(fēng)險(xiǎn)，從而增強(qiáng)力學(xué)性能的一致性。此研究不僅深化對(duì)增材制造生物醫(yī)用合金在微觀結(jié)構(gòu)-性能關(guān)系的理解，還為未來骨科植入物制造建立了質(zhì)量控制框架。

文章亮點(diǎn)
固溶退火組合熱處理工藝平衡超過1倍的增材制造各向異性。
固溶誘導(dǎo)再結(jié)晶細(xì)化粗大柱狀晶為可容納取向應(yīng)力的等軸晶粒。
低溫退火中退火孿晶和馬氏體板條協(xié)同作用實(shí)現(xiàn)勻質(zhì)化和強(qiáng)韌化。

研究背景
CoCrMo合金因其優(yōu)異的力學(xué)性能、耐腐蝕性和耐磨性，廣泛應(yīng)用于醫(yī)療植入物如牙冠、髖關(guān)節(jié)及膝關(guān)節(jié)假體。然而在臨床實(shí)踐中，由于患者個(gè)體差異及疾病特征的不同，傳統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)化植入物無法滿足患者的個(gè)性化需求。激光粉末床熔融（LPBF）技術(shù)憑借其制造復(fù)雜結(jié)構(gòu)和高效定制的優(yōu)勢，在醫(yī)療領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大潛力。但在LPBF過程中，由于逐層制造和極高的冷卻速率（約10⁵–10⁶ K/s），導(dǎo)致產(chǎn)品呈現(xiàn)顯著的各向異性。盡管已有大量研究針對(duì)LPBF-CoCrMo合金展開，但多數(shù)工作僅聚焦于單一方向的力學(xué)性能，未充分考慮各向異性對(duì)整體性能的影響。拉伸方向?qū)λ苄宰冃涡袨榫哂兄匾�影響，這種力學(xué)性能的不均衡可能導(dǎo)致醫(yī)療器械薄弱部位的早期失效。因此，實(shí)現(xiàn)各向同性對(duì)于提高醫(yī)療植入物的耐久性與穩(wěn)定性至關(guān)重要，這一問題亟待深入研究與解決。

本文要點(diǎn)

增材制造鈷鉻鉬合金各向異性
LPBF的高熱梯度及熔化-凝固循環(huán)促進(jìn)了<001>取向柱狀晶的優(yōu)先生長，并沿成型方向進(jìn)一步延伸。拉伸方向?qū)�CoCrMo合金的塑性變形行為具有顯著影響，其中，平行于成型方向的延伸率為19.1%，而垂直方向僅為9.3%，二者相差超過100%。打印態(tài)（AP）合金的各向異性主要由晶粒形態(tài)主導(dǎo)，柱狀晶沿長軸與短軸的位錯(cuò)滑移能力存在顯著差異，其高縱橫比特性影響拉伸加載過程中的應(yīng)力分布。TDX的位錯(cuò)主要沿晶粒短軸運(yùn)動(dòng)，緊密排列的晶界對(duì)位錯(cuò)遷移形成強(qiáng)阻礙，導(dǎo)致位錯(cuò)高度集中并發(fā)生劇烈的相互作用，從而限制塑性變形能力并降低伸長率。相反，TDZ的位錯(cuò)主要沿晶粒長軸滑移，滑移阻力降低，有利于塑性變形。然而，位錯(cuò)扎釘效應(yīng)的減弱同時(shí)降低材料的屈服強(qiáng)度。

圖1 (a,b)氣霧化 CoCrMo 合金粉末的形態(tài)；(c)粒度分布；(d) LPBF加工示意圖；(e)拉伸件的擺放示意圖和尺寸。

圖2 柱狀晶生長及其在拉伸應(yīng)力下的變形示意圖。(a)熔池和熱影響區(qū)的溫度梯度；(b)垂直于熔池邊界的柱狀晶粒的成核和生長；(c)在XOY和YOZ面上觀察到的柱狀晶粒的形態(tài)特征；(d)柱狀晶取向?qū)�拉伸性能的影響�?/div>

固溶處理初步達(dá)成各向同性

1150 ℃/1 h的固溶處理激發(fā)再結(jié)晶，使得粗大的柱狀晶細(xì)化為等軸晶粒，緩解與晶粒取向相關(guān)的應(yīng)力，初步實(shí)現(xiàn)微觀結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能的均勻化。SHT未表現(xiàn)出明顯的擇優(yōu)取向，且<001> 織構(gòu)強(qiáng)度顯著降低。CoCrMo合金在加熱至再結(jié)晶溫度后，新晶粒在原始晶粒內(nèi)部形核并促使晶界遷移，使晶粒生長不受特定熱流方向的影響。然而，此階段的屈服強(qiáng)度明顯下降，這歸因于蜂窩狀結(jié)構(gòu)和馬氏體的消失。位錯(cuò)及其他微觀缺陷的有效消除，降低裂紋萌生的概率，并提高TDX的延展性。然而，相較于AP-TDZ，SHT-TDZ的伸長率降低4%，這主要源于再結(jié)晶消除沿柱狀晶長軸取向的拉伸應(yīng)力對(duì)齊效應(yīng)。盡管熱處理后形成了大量退火孿晶，但其增韌效應(yīng)不足以完全彌補(bǔ) AP-TDZ中柱狀晶對(duì)材料韌性的貢獻(xiàn)。

圖3 對(duì)應(yīng)YOZ和XOY平面的EBSD-IPF 圖。(a、d)AP 樣品；(b、e)SHT 樣品；(c、f)SAHT 樣品。

圖4 (a)微觀組織演變示意圖；(b) AP-XOY面熔道軌跡和AP-YOZ面柱狀晶的IPF圖；(c)再結(jié)晶形成等軸晶粒，消除取向效應(yīng)。

低溫退火實(shí)現(xiàn)勻質(zhì)化和強(qiáng)韌化
隨后450 ℃/0.5 h 退火處理進(jìn)一步引起拉伸強(qiáng)度和延展性趨于平衡，分別達(dá)到906.1 MPa，20.2%（平行方向）和879.2 MPa，17.9%（垂直方向）。馬氏體板條互鎖形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，障礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)并在平行板條內(nèi)積累。SAHT的強(qiáng)度提升歸因于納米馬氏體，但由于熱處理消除了大部分內(nèi)部缺陷，強(qiáng)度增幅有限。與FCC基體的規(guī)則原子排列相比，孿晶界的原子結(jié)構(gòu)偏離均勻性。孿晶界的不穩(wěn)定區(qū)域改變局部應(yīng)力分布，附近的板條并非完全連續(xù)，有輕微的角度偏移。馬氏體板條通常阻礙位錯(cuò)滑移，但錯(cuò)位現(xiàn)象為被困位錯(cuò)提供額外滑移路徑，緩解局部塑性變形。在再結(jié)晶晶粒中，隨機(jī)分布的退火孿晶在變形過程中有助于適應(yīng)取向相關(guān)應(yīng)力。因此，SAHT表現(xiàn)出最小的延伸率差異。

圖5 納米級(jí)馬氏體板條的相互作用。(a) FCC基體內(nèi)的大量板條；(b, e)相交區(qū)域形成了位錯(cuò)捕獲網(wǎng)；(c, f)平行板條內(nèi)的位錯(cuò)糾纏和堆積層錯(cuò)；(d)馬氏體板條分布于再結(jié)晶晶界兩側(cè)。

圖6 退火孿晶的軌跡分析。(a)帶有退火孿晶的 IPF圖；(b)取向差曲線。退火孿晶的TEM圖。(c)分布在退火孿晶中的馬氏體板條；明場(d)和暗場(e)顯示退火孿晶與馬氏體板條之間的相互作用；(f)孿晶界的HR-TEM圖；(g, h) 黃色和藍(lán)色框的IFFT分析。

總結(jié)與未來展望
這項(xiàng)研究揭示了 LPBF-CoCrMo 合金在微觀結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能上的各向異性行為，并驗(yàn)證了熱處理消除各向異性的有效性，同時(shí)闡明了其潛在機(jī)制。然而，該方法不可避免地導(dǎo)致材料強(qiáng)度的降低。表面改性等后處理方法仍值得深入研究，以改善熱處理后植入物的耐磨性和生物相容性，并力求達(dá)到或超越打印態(tài)CoCrMo合金的水平。鑒于醫(yī)療植入物在人體內(nèi)承受復(fù)雜的循環(huán)載荷，其長期成功依賴于優(yōu)異的抗疲勞性能。噴丸處理作為一種表面改性技術(shù)，在提高疲勞性能方面展現(xiàn)出潛在優(yōu)勢，未來可進(jìn)一步探索激光噴丸和超聲波噴丸等先進(jìn)技術(shù)。聚焦于這些關(guān)鍵研究方向，在確保各向同性的前提下，將有助于提升增材制造個(gè)性化植入物的綜合性能，推動(dòng)其在臨床應(yīng)用中的發(fā)展。

本研究得到國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（2023YFB4606700）、國家自然科學(xué)基金（52475350）、中央高�；�本科研業(yè)務(wù)費(fèi)（2024ZYGXZR023）、廣東省基礎(chǔ)與應(yīng)用基礎(chǔ)研究基金（2022B1515120066）的資助。

作者簡介

余家闊（通訊作者），清華大學(xué)長聘教授，博導(dǎo)，博士后合作教授，國務(wù)院政府特殊津貼，北京市優(yōu)秀科技工作者，中央保健會(huì)診專家。任清華大學(xué)附屬北京清華長庚醫(yī)院骨科運(yùn)動(dòng)醫(yī)學(xué)中心主任，膝關(guān)節(jié)外科主任，清華醫(yī)學(xué)骨科與運(yùn)動(dòng)醫(yī)學(xué)研究所所長。擔(dān)任國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃首席科學(xué)家，國家自然科學(xué)基金儀器專項(xiàng)、重點(diǎn)項(xiàng)目、重點(diǎn)國際合作項(xiàng)目和區(qū)域聯(lián)合重點(diǎn)項(xiàng)目牽頭人。在Science Translational Medicine、 Advanced Materials、Advanced Science、Advanced Functional Materials、Bioactive Materials等期刊發(fā)表論文211篇。獲授權(quán)專利80項(xiàng)，主編副主編專著13本，獲省部級(jí)一到三等科技成果獎(jiǎng)8項(xiàng)。成果轉(zhuǎn)化產(chǎn)品獲8張醫(yī)療器械注冊(cè)證（6張三類2張二類），2個(gè)產(chǎn)品獲創(chuàng)新醫(yī)療器械注冊(cè)證。

宋長輝（通訊作者），華南理工大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院教授，博士生導(dǎo)師，廣東省增材制造協(xié)會(huì)副會(huì)長，廣東省特支人才。長期圍繞“激光增材制造裝備—多尺度形性調(diào)控—功能結(jié)構(gòu)件設(shè)計(jì)與應(yīng)用”開展工作。主持國家級(jí)項(xiàng)目7項(xiàng)，省部級(jí)項(xiàng)目8項(xiàng)。在International Journal of Machine Tools and Manufacture、International Journal of Extreme Manufacturing等期刊一作/通訊作者發(fā)表SCI論文60余篇，連續(xù)三年入選全球前2%頂尖科學(xué)家“年度影響力”榜單（2022-2024）， 2024年度中國知網(wǎng)“高被引學(xué)者”Top 1%（機(jī)械工程領(lǐng)域）。授權(quán)專利100余項(xiàng)，主編/副主編編寫專著4本。獲中國專利獎(jiǎng)、廣東省科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)、北京市技術(shù)發(fā)明二等獎(jiǎng)等國家省部級(jí)獎(jiǎng)勵(lì)5項(xiàng)。