多孔鈦合金材料能做什么？如何制造它？這可以由美國康奈爾大學(xué)以及麻省理工等高校合作項(xiàng)目研究小組最新開發(fā)的3D打印（冷噴涂）技術(shù)來給出答案。該項(xiàng)研究在今年11月9日，以“超音速?zèng)_擊3D打印制備多孔鈦合金”為題，發(fā)表在“AppliedMaterials Today.”《今日應(yīng)用材料》期刊上。
這張圖片顯示了細(xì)胞粘附在一種由冷噴涂3D打印而成的鈦合金上，這表明了這種材料的生物相容性。
介于本公號讀者普遍的知識結(jié)構(gòu)，冷噴涂和3D打印等基礎(chǔ)概念都不再贅述。簡單地說，這項(xiàng)技術(shù)主要利用粉體超音速?zèng)_擊形成固態(tài)鍵合，在遠(yuǎn)低于融融溫度工況下生產(chǎn)出高強(qiáng)度多孔鈦合金，并可以通過后熱處理進(jìn)一步提升機(jī)械性能，最終將其應(yīng)用于骨科移植等領(lǐng)域。如上圖所示。
通常的金屬3D打印會(huì)由于粉體逐層熔化和凝固的高溫加工影響，導(dǎo)致殘余應(yīng)力大、力學(xué)性能差。冷噴涂技術(shù)可以彌補(bǔ)這個(gè)缺陷，通常粉體會(huì)在臨界速度（形成致密固體的速度）和侵蝕速度（超速則會(huì)使粉體破碎而無法進(jìn)行結(jié)合）之間選擇一個(gè)最佳速度，通過噴嘴發(fā)射到基板上?！邦愃朴谧鳟嫞?D打印會(huì)堆積更多?！?/span>
本次研究團(tuán)隊(duì)則通過流體力學(xué)運(yùn)算，確定了一個(gè)略低于鈦合金臨界速度的速度（約600m/s），利用高應(yīng)變速率動(dòng)態(tài)打印粒徑45到106μm之間的Ti-6Al-4V粉體，最終制造出比其他3D打印鈦合金強(qiáng)度提升42%的多孔結(jié)構(gòu)材料（表觀模量51.7±3.2gpa，表觀抗壓屈服強(qiáng)度535±35mpa，孔隙率30±2%）。
雖然這個(gè)過程在技術(shù)上被稱為冷噴涂，但它確實(shí)涉及一些熱處理。當(dāng)這些粒子碰撞并結(jié)合在一起后，研究人員再加熱金屬，使這些成分相互擴(kuò)散，像均勻的物質(zhì)一樣沉淀下來。
研究人員提到，“如果我們用這種多孔結(jié)構(gòu)制作植入物，并將其植入人體，骨骼就可以在這些孔隙內(nèi)生長并進(jìn)行生物固定。”，“這有助于降低植入物松動(dòng)的可能性。這是件大事。有很多患者必須再次手術(shù)移除植入物，因?yàn)橹踩胛锼蓜?dòng)，會(huì)引起很大的疼痛?！?/span>
除了該項(xiàng)目所專注的骨科移植，從本質(zhì)上講，任何能承受塑性變形的金屬材料都可以從這一過程中受益。它為更大規(guī)模的工業(yè)應(yīng)用，如建筑、運(yùn)輸和能源，帶來了許多機(jī)遇。