《快速凝固鎂合金骨支架的雷射成形機理研究》是依託中南大學，由帥詞俊擔任項目負責人的面上項目。
基本介紹
- 中文名：快速凝固鎂合金骨支架的雷射成形機理研究
- 項目類別：面上項目
- 項目負責人：帥詞俊
- 依託單位：中南大學
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
骨移植是僅次於輸血的第二大移植手術，鎂合金是新一代的革命性金屬生物材料，但常規鎂合金存在降解速率過快、降解行為不可控等缺點。快速凝固技術是提高和挖掘金屬材料潛能的重要方法。本申請擬以選擇性雷射熔化為工藝，以實現鎂合金快速凝固為手段，以成形過程中的微觀組織演變為核心，研究雷射熔化非平衡凝固條件下，鎂合金液固兩相中溶質傳輸、組織演化、偏析等特徵。分析晶粒生長速度和枝晶間距對冷卻速率的回響。查明雷射成形工藝參數對緻密度、表面形貌和精度的影響，以及球化、孔隙、裂紋等成形缺陷的產生機制與抑制策略。通過分析鎂合金的組份設計、固溶度、晶粒存在形式及其對合金性能的作用實現對鎂合金骨支架降解行為的可控。揭示力學性能和生物性能對製造工藝參數的回響機制，從製造技術與裝備上尋找提高鎂合金骨支架性能的突破點，建立多參數最佳化匹配的工藝模型；為發展我國自主智慧財產權的高性能鎂合金骨支架製造技術與裝備提供理論基礎。
結題摘要
鎂合金被譽為新一代革命性的生物金屬材料。但常規工藝成形鎂合金晶粒粗大、第二相偏析，導致降解速率不可控。選區雷射熔化（SLM）技術具有快速凝固的特性，能夠抑制晶粒生長、擴展合金元素固溶、減少第二相偏析，在提高鎂合金耐腐蝕性能方面展現出巨大潛能。為此，本項目利用SLM技術製備生物鎂合金，主要研究內容有：開發了面向生物鎂合金的SLM成形系統，研究了工藝參數對成型質量的影響機制，發現能量密度較低時，較快的冷卻速率有利於細化組織，但會導致熔池液相粘度較高、流動不充分而形成孔隙，而能量密度過高時，減慢的冷卻速率導致晶體結構粗化，且凝固層內會累積較大的殘餘熱應力而形成裂紋；揭示了微觀結構與耐腐蝕性能之間的關在線上制，發現SLM通過快速凝固細化晶粒尺寸，從而提高了表面氧化膜的緻密度和穩定性，同時通過溶質俘獲效應提高了合金元素的固溶、減少第二相的析出，從而減輕了鎂基體中電偶腐蝕的發生；利用合金化手段調控組織性能，發現稀土Nd合金化誘導的惰性第二相在晶界均勻連續析出形成蜂窩狀結構包裹鎂晶粒，該結構能夠作為“保護盾”隔絕鎂合金與腐蝕液的接觸，進一步增強了耐腐蝕性能；利用介孔氧化矽提高了鎂合金的生物活性，發現SLM過程中熔池內形成的液相對流和快速凝固能夠促進介孔氧化矽的均勻分散並獲得緊密的界面結合，且介孔氧化矽表面豐富的官能團和巨大的比表面積促進了鈣磷沉積，提高了鎂基體的生物礦化能力。以上研究成果共發表國內外學術論文28篇，授權國家專利19項，出版中英文專著3部。研究成果獲2019年湖南醫學科技一等獎（排第1）、2017年湖南省自然科學二等獎（排第1）。2017年入選“國家萬人計畫領軍人才”、“湖南省科技創新領軍人才”。本項目解決了可降解生物鎂合金製備的關鍵技術問題，掌握了整套設備的設計與製造技術，為發展我國自主智慧財產權的高性能鎂合金骨支架製造技術與裝備提供了理論基礎。
