退火处理用于改善选择性激光熔化TC4-Cu合金的微观结构和性能

《Journal of Alloys and Compounds》：Annealing Treatment for Enhancing Microstructure and Properties of Selective Laser Melted TC4-Cu Alloys

TC4合金通过选择性激光熔化结合机械合金化制备，优化铜含量后经770℃退火处理，显著提升机械性能（抗拉强度1126MPa，延展率5.14%）和抗菌效果（抑菌率99.8%），揭示热处理对微观结构和性能的调控机制。

　　

陈世辉|林成奇|王宏|秦帅帅|黄旭|刘华斌

福建工业大学机械与汽车工程学院，福州350118，中国

摘要

为了探索TC4合金在生物医学应用中的潜力，采用选择性激光熔化（SLM）技术制备了不同铜含量（0%、3%和5%）的TC4-Cu合金。将制备态合金的微观结构与在最佳工艺参数下770°C退火后的微观结构进行了比较，并系统研究了退火合金的机械性能和生物相容性。结果表明，含铜合金由α/α′-Ti相和CuTi₂相组成，退火后晶粒显著细化。含3%铜的合金表现出优异的综合性能：抗拉强度为1126 MPa，屈服强度为1070 MPa，伸长率为5.14%，分别比制备态提高了34.4%、47.8%和187%。该合金的摩擦系数降低到0.38，腐蚀电位正向偏移了121 mV，腐蚀电流密度降低了一个数量级。含5%铜的合金具有优异的抗菌效果，对金黄色葡萄球菌的抑制率为99.8%。这些发现为设计高性能的TC4基合金以用于未来的生物医学材料开发提供了有用的指导。

引言

TC4（Ti-6Al-4V）因其优异的生物相容性和高比强度而在生物医学植入物中得到广泛应用。然而，成功的植入需要同时满足强大的抗菌性能和出色的机械性能[1]、[2]的要求。铜（Cu）因其高效的广谱抗菌效果而被认为是提高钛合金抗感染性的关键元素[3]、[4]。在TC4中，Cu可以形成CuTi₂金属间相，通过第二相强化来增强材料的性能[5]。强化相的原位形成通过载荷传递和弥散强化机制提高了钛基合金的硬度和耐磨性[6]。不幸的是，采用传统熔化方法制备的钛铜合金常常会出现Cu偏析，导致CuTi₂相粗化。这不仅削弱了强化效果，还严重影响了材料的塑性，使得传统的钛铜合金无法满足植入物的综合性能要求[7]。Zhou等人[8]通过结合选择性激光熔化（SLM）和火花等离子烧结技术制备了一种具有独特结构的TC4-Ti5Cu复合材料，解决了钛合金抗菌性能不足和性能-功能性之间的矛盾。他们的研究证实了Ti-5Cu区域与TC4区域之间形成了牢固且无缺陷的冶金结合。Ti-5Cu区域主要由层状的α相和分布的CuTi₂沉淀物组成。与整体合金相比，这种复合材料具有更好的耐腐蚀性和超过99%的抗菌率。SLM的高速冷却特性抑制了Cu原子的扩散，快速凝固有效防止了Cu偏析和传统工艺中常见的粗化脆性相的形成，从而获得了均匀的细晶结构。然而，制备态合金通常具有较高的残余应力和较低的塑性[9]、[10]、[11]、[12]、[13]。热处理是消除残余应力、控制沉淀相和恢复塑性的关键后处理技术。然而，热处理过程中铜改性钛合金的相变和微观结构沉淀的调控机制尚未完全明了[10]、[14]。此外，依赖贵金属（如Pd、Ru）的钛合金改性策略面临成本限制，这突显了廉价元素Cu的巨大工程价值。

目前关于钛铜合金的研究主要采用上述传统方法，限制了TC4合金在医学领域的进一步应用。因此，迫切需要新的方法来协同调控合金化和热处理过程。为解决这一研究空白，本研究采用机械合金化（MA）与SLM结合的方法制备了不同铜含量的TC4-Cu合金（0%、3%和5%）。选择这种方法是因为与传统熔化或烧结方法相比，它能够实现更好的成分均匀性和更精细的微观结构。我们确定了最佳的SLM工艺参数，研究了退火热处理后TC4-Cu合金的微观结构，并评估了其机械性能和抗菌性能。需要指出的是，本研究侧重于基础材料研究，而非直接开发临床适用的植入材料。研究结果有望为未来铜改性生物医学钛合金的优化提供指导。

实验材料

实验使用了气体雾化的TC4钛合金粉末（粒径：15-53 μm，化学成分见表1）和球形Cu粉末（粒径：15-53 μm）。粉末的形态如图1所示。经过球磨后，混合粉末保持了近乎球形的形态，表面略有粗糙并部分团聚。Cu粉末和TC4粉末按照质量分数（0%、3%和5%）使用行星球磨机（氧化锆（ZrO₂）进行混合

密度分析

图3显示了在不同激光参数下制备的TC4-3% Cu样品的相对密度和表面形态。图3(a)中的每个数据点对应于一组特定的激光功率和扫描速度组合，这些参数组合产生了相应的体积能量密度。在38–67 J/mm3的E_v范围内，合金保持了高且稳定的相对密度（97.9–98.7%），形成了一个平台状分布而非尖锐峰值，表明工艺具有较好的适应性。

结论

本研究通过选择性激光熔化成功制备了不同铜含量的TC4-Cu合金（0%、3%和5%），解决了SLM处理的Ti-Cu合金普遍存在的高强度与低塑性之间的矛盾。阐明了调控合金化和热处理后效应的协同机制，系统地明确了770°C退火对合金微观结构、机械性能和功能的影响。

作者贡献声明

秦帅帅：验证、项目管理、数据分析。王宏：初稿撰写、验证、实验研究、数据分析、数据整理。刘华斌：审稿与编辑、监督、资源协调、项目管理和资金获取。黄旭：审稿与编辑、监督、资源协调、项目管理和资金获取、概念构思。陈世辉：审稿与编辑、初稿撰写、数据可视化、验证。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。