激光与电子束增材制造Ti6Al4V生物合金的力学特性与各向异性电化学性能对比研究

本研究针对金属增材制造(AM)在生物医学植入体定制化需求中的技术瓶颈，通过对比电子束熔融(EBM)与选择性激光熔融(SLM)制备的Ti-6Al-4V合金，系统分析了微观结构、力学性能及电化学腐蚀各向异性。研究发现SLM-XY样品在YZ平面表现出最优腐蚀电阻(Rct ≈4.45×106 Ω·cm2 )和最低水接触角(84.45°)，EBM样品则呈现更高表面粗糙度。21天模拟体液(SBF)实验证实所有样品均具备良好生物活性，为骨科植入物个性化制造提供了重要理论依据。

　　

研究背景与意义
在生物医学领域，钛合金因其优异的强度-重量比和生物相容性长期占据植入材料主导地位。传统制造技术难以实现复杂几何结构的个性化植入体，而金属增材制造(Additive Manufacturing, AM)技术的突破为这一难题提供了全新解决方案。其中，选择性激光熔融(Selective Laser Melting, SLM)和电子束熔融(Electron Beam Melting, EBM)作为两种主流粉末床熔融(Powder Bed Fusion, PBF)技术，可通过逐层堆积实现复杂构件的精确成型。然而，不同能量源导致的微观结构差异如何影响材料力学性能和长期生物稳定性，成为制约技术临床应用的关键科学问题。

由伊朗国际科研合作中心(CISSC)与土耳其科学技术研究委员会(TüB?TAK)联合资助的研究团队，在《Materials Today Communications》发表了针对Ti-6Al-4V(简称Ti64)生物合金的系统性对比研究。该工作首次从多尺度揭示了SLM与EBM成型试样的各向异性电化学行为规律，为骨科植入物的性能优化提供了重要实验依据。

关键技术方法
研究采用EOS M290(SLM)和Arcam Q10(EBM)设备制备标准Ti64 ELI粉末样品，严格遵循ASTM F3001-14规范。通过控制SLM腔体氧含量(<100 ppm)和EBM粉末预热温度(540°C)确保成型质量。综合运用X射线衍射(XRD)、扫描电镜(SEM)进行相组成分析，采用电化学工作站评估不同构建平面(YZ/XZ/XY)的腐蚀行为，并通过模拟体液(SBF)浸泡实验验证生物活性。

研究结果

1. 相组成与微观结构
   XRD分析显示EBM样品存在β相(BCC结构)，而SLM样品呈现更细小的α/α′相(HCP结构)。SEM观测证实SLM-XY样品具有更均匀的熔池形貌，这与后续力学性能测试结果高度相关。

2. 力学性能与表面特性

• 显微硬度：SLM-XY样品(387 HV)显著高于EBM样品(321 HV)
• 表面粗糙度：EBM样品(Ra=12.5 μm)比SLM样品(Ra=8.3 μm)高约50%
• 润湿性：SLM-XY样品接触角最低(84.45°)，EBM样品最高(99.87°)

1. 电化学腐蚀行为
   极化曲线测试表明：

• SLM样品腐蚀电流密度比EBM低1个数量级
• 电化学阻抗谱显示SLM-XY的YZ平面具有最高电荷转移电阻(R_ct
  =4.45×10⁶
  Ω·cm²
  )
• 各向异性分析揭示构建方向显著影响钝化膜稳定性

1. 生物活性评估
   21天SBF浸泡后：

• 所有样品表面均形成Ca/P沉积层(钙磷比≈1.6)
• 无裂纹或剥落现象，证实材料长期生物稳定性

结论与展望
该研究通过Masoud Atapour、Ozkan Gokcekaya等学者的合作，首次建立了AM工艺-微观结构-功能性能的完整关联链条：

1. SLM技术可制备具有更优综合性能的Ti64植入体，其精细α′马氏体相与致密熔池结构共同提升了耐蚀性；
2. 构建方向引起的各向异性提示临床应用中需针对性优化植入体摆放方位；
3. 表面能差异为后续生物涂层设计提供了调控新思路。

这些发现不仅推动了AM技术在个性化医疗中的应用，更为开发新一代"性能可定制"生物材料奠定了理论基础。未来研究可进一步探索工艺参数与细胞响应性的关系，加速技术向临床转化。