淺談增材制造用金屬粉末工藝和性能及其對(duì)終產(chǎn)品的影響
時(shí)間：2022-05-07 14:17 來(lái)源：國(guó)家藥品監(jiān)督管理局 作者：admin 閱讀：次
隨著醫(yī)學(xué)影像學(xué)和數(shù)字化的快速發(fā)展，個(gè)性化、精準(zhǔn)化成為骨科發(fā)展的一個(gè)重要方向，增材制造技術(shù)是實(shí)現(xiàn)骨科手術(shù)個(gè)性化和精準(zhǔn)化的一種有效手段。骨科植入物制造商通過(guò)增材制造技術(shù)制造的類似于骨小梁多孔結(jié)構(gòu)的金屬髖臼杯、人工椎體和椎間融合器已獲準(zhǔn)上市。目前，應(yīng)用于骨科植入物的增材制造產(chǎn)品主要是以Ti-6Al-4V鈦合金粉末為原材料的電子束熔融（EBM）和激光選區(qū)熔融（SLM）技術(shù)制造。金屬粉末的顆粒形貌、粒徑分布和流動(dòng)性等性能對(duì)于增材制造終產(chǎn)品的性能具有重要影響，本文旨在簡(jiǎn)要介紹增材制造用金屬粉末的制備工藝和粉末的關(guān)鍵性能及其對(duì)終產(chǎn)品的影響。
一、金屬粉末制備工藝
金屬粉末的制備過(guò)程是將經(jīng)過(guò)冶煉的合金原料（錠、棒或絲等）高溫熔融，再霧化形成粉末。目前，主要的制備工藝方法為水霧化法、氣霧化法（Electrode Induction-melting Gas Atomization，電極感應(yīng)加熱氣霧化法）、等離子體霧化法、等離子體旋轉(zhuǎn)電極霧化法(Plasma rotating electrode process)以及氫化-脫氫法等。
氣霧化法是將原料在空氣、惰性氣體下或在真空條件下熔融，隨后熔融合金流體通過(guò)高速空氣、氮?dú)狻⒑饣驓鍤鈬娮祆F化成顆粒。粉末顆粒大多呈球形，存在一些不規(guī)則的顆粒，顆粒粒徑范圍為0～500μm。在20～150μm范圍內(nèi)的粉體產(chǎn)量在總產(chǎn)量的10%～50%之間波動(dòng)。
等離子霧化法是以冶煉合金絲材或者經(jīng)過(guò)破碎處理的粉末為原料，在等離子弧和氣體噴槍的作用下霧化成顆粒。粒徑分布為0～200μm，顆粒球形度好。等離子體旋轉(zhuǎn)電極霧化法是在等離子霧化法基礎(chǔ)上改用棒材為原料，進(jìn)料過(guò)程中旋轉(zhuǎn)棒材，形成的顆粒在接觸到腔體之前已經(jīng)固化，因此粉末的純度高。顆粒粒徑在100μm以下，生產(chǎn)成本很高。
雖然水霧化法和氫化-脫氫法制備粉末成本更低，但是這兩種方法制備的顆粒形貌為不規(guī)則的，因此，在增材制造領(lǐng)域應(yīng)用較為有限。從圖4中可以看出，氣霧化法制備的Ti-6Al-4V粉末形貌近似于球體，而等離子體旋轉(zhuǎn)電極霧化法制備的Ti-6Al-4V粉末純度高，顆粒形貌高度球體化。
△圖1 骨科植入物的增材制造產(chǎn)品過(guò)程
一、金屬粉末制備工藝
金屬粉末的制備過(guò)程是將經(jīng)過(guò)冶煉的合金原料（錠、棒或絲等）高溫熔融，再霧化形成粉末。目前，主要的制備工藝方法為水霧化法、氣霧化法（Electrode Induction-melting Gas Atomization，電極感應(yīng)加熱氣霧化法）、等離子體霧化法、等離子體旋轉(zhuǎn)電極霧化法(Plasma rotating electrode process)以及氫化-脫氫法等。
△表1 增材制造用金屬粉末的制備工藝
氣霧化法是將原料在空氣、惰性氣體下或在真空條件下熔融，隨后熔融合金流體通過(guò)高速空氣、氮?dú)狻⒑饣驓鍤鈬娮祆F化成顆粒。粉末顆粒大多呈球形，存在一些不規(guī)則的顆粒，顆粒粒徑范圍為0～500μm。在20～150μm范圍內(nèi)的粉體產(chǎn)量在總產(chǎn)量的10%～50%之間波動(dòng)。
△圖2 氣體霧化過(guò)程
等離子霧化法是以冶煉合金絲材或者經(jīng)過(guò)破碎處理的粉末為原料，在等離子弧和氣體噴槍的作用下霧化成顆粒。粒徑分布為0～200μm，顆粒球形度好。等離子體旋轉(zhuǎn)電極霧化法是在等離子霧化法基礎(chǔ)上改用棒材為原料，進(jìn)料過(guò)程中旋轉(zhuǎn)棒材，形成的顆粒在接觸到腔體之前已經(jīng)固化，因此粉末的純度高。顆粒粒徑在100μm以下，生產(chǎn)成本很高。
△圖3 等離子體霧化過(guò)程
雖然水霧化法和氫化-脫氫法制備粉末成本更低，但是這兩種方法制備的顆粒形貌為不規(guī)則的，因此，在增材制造領(lǐng)域應(yīng)用較為有限。從圖4中可以看出，氣霧化法制備的Ti-6Al-4V粉末形貌近似于球體，而等離子體旋轉(zhuǎn)電極霧化法制備的Ti-6Al-4V粉末純度高，顆粒形貌高度球體化。
△圖4 不同制備工藝Ti-6Al-4V粉末掃描電鏡SEM圖: (a) 水霧化法; (b) 氣霧化法; (c) 等離子體霧化法; (d) 等離子體旋轉(zhuǎn)電極霧化法。
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