增材制造生物镁合金材料、工艺、性能及应用综述

时间:2024-01-15 09:42 来源:JMACCMg 作者:admin 点击:次

镁（Mg）及其合金具有良好的可降解性、生物相容性和力学相容性，近些年来在生物医学领域受到了研究人员的广泛关注。目前，Mg及镁合金产品的加工通常采用铸造、锻造等传统的热加工方法。尽管传统加工方式制造的镁合金比强度很高，但其屈服强度较低，不足以承受大载荷，而且铸造过程中容易产生裂纹和气孔等缺陷。此外，其加工性能差，成形效率低，采用传统制造方法难以生产结构复杂的Mg基产品。与传统工艺相比，增材制造（AM）技术能有效简化成型工艺，通过其独特的设计能力赋予产品不同结构和形状，为骨齿科等领域生产理想的产品。因此，需要对原材料、制造工艺、性能和应用进行详细而透彻的了解，以促进商业化增材制造-镁产品的生产。
最近，香港城市大学Paul. K Chu教授、暨南大学于振涛教授和南方医科大学符青云博士等人全面综述了增材制造镁基生物制品从原材料、制造工艺、性能到应用的研究进展，指出面临的问题和挑战，并对未来的发展方向给出了具体建议。

论文链接：https://www.sciencedirect.com/sc ... i/S2213956723001020

原材料制备方面：Mg基增材制造的原料主要是Mg粉或者Mg丝。Mg粉制备具有较高的爆炸风险，生产企业相对较少。目前生物医用Mg粉的主要产品包括纯Mg和WE43，其最佳粒径范围在20 μm ~ 70 μm之间，主要采用气体雾化法制备。该方法制备的颗粒具有纯度高、氧化程度低、粉末粒度可控，以及球形度好、环境污染程度小等优点，但制备过程中需要氩气气氛的保护，且粉末中会存在一定含量的空心粉和卫星粉。由于六方密排结构，Mg在室温下的塑性变形能力有限。因此，Mg丝的加工需要涉及较大的塑性变形，如热挤压、冷拔等。图1是Mg丝加工过程中拉拔成形工艺示意图。

图1 Mg合金丝拉拔过程示意图:(a)拉拔模截面图[40];(b)连续拉拔过程

Mg基增材制造技术方面：金属材料的增材制造技术一直是增材制造领域中所公认的最具有挑战性和发展前景的前沿尖端方向之一，也是长时间以来的研究热点。Mg基增材制造主流技术主要包括激光增材制造（LAM）、电子束增材制造（EBAM）、电弧增材制造（WAAM）和固相增材制造（SSAM），技术特点见表1。LAM是研究最广泛的Mg合金产品制造技术之一，其优点是精度高，强度令人满意，但工作效率低、延展性有限且镁粉活性高，易爆炸。EBAM的能量利用率高于LAM，高能电子束的快速加热和冷却效果可能会在印刷部件中产生固有缺陷。WAAM可以产生中等强度和可观的延展性，但WAAM中残余应力所引起孔隙、开裂等缺陷尤为突出。SSAM过程中不存在金属熔化现象，避免了熔化结晶凝固过程中的冶金缺陷，但存在加工周期长，且制备过程中易产生应力积累和形变，影响打印件的精度和质量等问题。图2和3是是常用熔化极惰性气体保护焊-WAAM和SSAM的工作原理示意图。

表1 Mg基制品常用增材制造技术特点

图2 GMAW-WAAM示意图

图3 三种不同SSAM工艺示意图

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