消除激光增材超過1倍的顯著各向異性，定制均質強韌鈷鉻鉬全膝假體

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）技術在個性化醫(yī)療植入物的臨床應用中取得了顯著進展。華南理工大學與清華長庚醫(yī)院的研究團隊聯(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)療器械注冊的激光增材制造全膝關節(jié)假體，結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)域的失效風險，從而增強力學性能的一致性。此研究不僅深化對增材制造生物醫(yī)用合金在微觀結構-性能關系的理解，還為未來骨科植入物制造建立了質量控制框架。

文章亮點
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。
固溶誘導再結晶細化粗大柱狀晶為可容納取向應力的等軸晶粒。
低溫退火中退火孿晶和馬氏體板條協(xié)同作用實現(xiàn)勻質化和強韌化。

研究背景
CoCrMo合金因其優(yōu)異的力學性能、耐腐蝕性和耐磨性，廣泛應用于醫(yī)療植入物如牙冠、髖關節(jié)及膝關節(jié)假體。然而在臨床實踐中，由于患者個體差異及疾病特征的不同，傳統(tǒng)的標準化植入物無法滿足患者的個性化需求。激光粉末床熔融（LPBF）技術憑借其制造復雜結構和高效定制的優(yōu)勢，在醫(yī)療領域展現(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），導致產(chǎn)品呈現(xiàn)顯著的各向異性。盡管已有大量研究針對LPBF-CoCrMo合金展開，但多數(shù)工作僅聚焦于單一方向的力學性能，未充分考慮各向異性對整體性能的影響。拉伸方向對塑性變形行為具有重要影響，這種力學性能的不均衡可能導致醫(yī)療器械薄弱部位的早期失效。因此，實現(xiàn)各向同性對于提高醫(yī)療植入物的耐久性與穩(wěn)定性至關重要，這一問題亟待深入研究與解決。

本文要點

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)促進了<001>取向柱狀晶的優(yōu)先生長，并沿成型方向進一步延伸。拉伸方向對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，柱狀晶沿長軸與短軸的位錯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力分布。TDX的位錯主要沿晶粒短軸運動，緊密排列的晶界對位錯遷移形成強阻礙，導致位錯高度集中并發(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，位錯扎釘效應的減弱同時降低材料的屈服強度。

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)柱狀晶取向對拉伸性能的影響。

固溶處理初步達成各向同性

1150 ℃/1 h的固溶處理激發(fā)再結晶，使得粗大的柱狀晶細化為等軸晶粒，緩解與晶粒取向相關的應力，初步實現(xiàn)微觀結構和力學性能的均勻化。SHT未表現(xiàn)出明顯的擇優(yōu)取向，且<001> 織構強度顯著降低。CoCrMo合金在加熱至再結晶溫度后，新晶粒在原始晶粒內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，此階段的屈服強度明顯下降，這歸因于蜂窩狀結構和馬氏體的消失。位錯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%，這主要源于再結晶消除沿柱狀晶長軸取向的拉伸應力對齊效應。盡管熱處理后形成了大量退火孿晶，但其增韌效應不足以完全彌補 AP-TDZ中柱狀晶對材料韌性的貢獻。

圖3 對應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)再結晶形成等軸晶粒，消除取向效應。

低溫退火實現(xiàn)勻質化和強韌化
隨后450 ℃/0.5 h 退火處理進一步引起拉伸強度和延展性趨于平衡，分別達到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)狀結構，障礙位錯運動并在平行板條內積累。SAHT的強度提升歸因于納米馬氏體，但由于熱處理消除了大部分內部缺陷，強度增幅有限。與FCC基體的規(guī)則原子排列相比，孿晶界的原子結構偏離均勻性。孿晶界的不穩(wěn)定區(qū)域改變局部應力分布，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滑移，但錯位現(xiàn)象為被困位錯提供額外滑移路徑，緩解局部塑性變形。在再結晶晶粒中，隨機分布的退火孿晶在變形過程中有助于適應取向相關應力。因此，SAHT表現(xiàn)出最小的延伸率差異。

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

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) 黃色和藍色框的IFFT分析。

總結與未來展望
這項研究揭示了 LPBF-CoCrMo 合金在微觀結構和力學性能上的各向異性行為，并驗證了熱處理消除各向異性的有效性，同時闡明了其潛在機制。然而，該方法不可避免地導致材料強度的降低。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)療植入物在人體內承受復雜的循環(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，在提高疲勞性能方面展現(xiàn)出潛在優(yōu)勢，未來可進一步探索激光噴丸和超聲波噴丸等先進技術。聚焦于這些關鍵研究方向，在確保各向同性的前提下，將有助于提升增材制造個性化植入物的綜合性能，推動其在臨床應用中的發(fā)展。

本研究得到國家重點研發(fā)計劃（2023YFB4606700）、國家自然科學基金（52475350）、中央高�；�本科研業(yè)務費（2024ZYGXZR023）、廣東省基礎與應用基礎研究基金（2022B1515120066）的資助。

作者簡介

余家闊（通訊作者），清華大學長聘教授，博導，博士后合作教授，國務院政府特殊津貼，北京市優(yōu)秀科技工作者，中央保健會診專家。任清華大學附屬北京清華長庚醫(yī)院骨科運動醫(yī)學中心主任，膝關節(jié)外科主任，清華醫(yī)學骨科與運動醫(yī)學研究所所長。擔任國家重點研發(fā)計劃首席科學家，國家自然科學基金儀器專項、重點項目、重點國際合作項目和區(qū)域聯(lián)合重點項目牽頭人。在Science Translational Medicine、 Advanced Materials、Advanced Science、Advanced Functional Materials、Bioactive Materials等期刊發(fā)表論文211篇。獲授權專利80項，主編副主編專著13本，獲省部級一到三等科技成果獎8項。成果轉化產(chǎn)品獲8張醫(yī)療器械注冊證（6張三類2張二類），2個產(chǎn)品獲創(chuàng)新醫(yī)療器械注冊證。

宋長輝（通訊作者），華南理工大學機械與汽車工程學院教授，博士生導師，廣東省增材制造協(xié)會副會長，廣東省特支人才。長期圍繞“激光增材制造裝備—多尺度形性調控—功能結構件設計與應用”開展工作。主持國家級項目7項，省部級項目8項。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%頂尖科學家“年度影響力”榜單（2022-2024）， 2024年度中國知網(wǎng)“高被引學者”Top 1%（機械工程領域）。授權專利100余項，主編/副主編編寫專著4本。獲中國專利獎、廣東省科技進步二等獎、北京市技術發(fā)明二等獎等國家省部級獎勵5項。