激光粉末床熔融制备CoCrMo生物医用合金的微观结构异质性及其腐蚀行为各向异性研究

针对激光粉末床熔融(LPBF)制备的CoCrMo生物医用合金在植入应用中存在的腐蚀各向异性问题，研究人员通过多尺度表征和电化学测试，揭示了XY平面（构建面）与YZ平面（侧面）因微观结构异质性（如熔池边界密度、亚晶界分布差异）导致的腐蚀行为差异。研究发现XY平面因更致密的保护膜形成而具有优异耐蚀性，而YZ平面则因熔池边界富集引发选择性腐蚀。该研究为优化LPBF工艺参数、提升植入体长期安全性提供了理论依据。

　　

在生物医学领域，钴铬钼(CoCrMo)合金因其卓越的机械强度和生物相容性，成为人工关节等承重植入物的首选材料。随着增材制造(AM)技术的崛起，激光粉末床熔融(LPBF)技术为制造复杂几何形状的个性化植入体提供了可能。然而，LPBF工艺特有的快速熔凝循环和定向热传导特性，往往导致材料内部产生微观结构异质性，进而引发力学性能和腐蚀行为的各向异性。这一问题在生理环境中尤为突出——腐蚀导致的金属离子（如Co²⁺、Mo⁶⁺）释放可能引发细胞毒性、炎症反应等生物相容性问题，直接影响植入体的长期安全性和功能稳定性。

针对这一挑战，重庆大学等机构的研究团队在《Journal of Alloys and Compounds》发表论文，系统研究了LPBF制备的CoCrMo合金在XY平面（构建面）与YZ平面（侧面）的腐蚀行为差异及其微观机制。研究通过X射线衍射(XRD)、电子背散射衍射(EBSD)、扫描电镜(SEM)等表征手段结合开路电位(OCP)、动电位极化、电化学阻抗谱(EIS)等电化学测试，揭示了微观结构特征与腐蚀抗性的内在关联。

关键技术方法
研究采用平均粒径21.5 μm的预合金化CoCrMo粉末，通过LPBF工艺（M150C系统，氩气保护）制备样品。利用XRD分析相组成，EBSD表征晶粒取向，SEM观察熔池形貌。电化学测试包括OCP监测、动电位极化（扫描速率1 mV/s）、EIS（频率范围10⁵-10^-2 Hz）以及莫特-肖特基(Mott-Schottky)分析。X射线光电子能谱(XPS)用于解析表面钝化膜成分。

研究结果

Microstructural Characteristics
XRD显示XY与YZ平面均以γ-Co相为主，含少量ε-Co相。EBSD分析表明：XY平面呈现细小等轴晶（平均尺寸8.3 μm）和高密度亚晶界；YZ平面则以粗大柱状晶（平均尺寸23.7 μm）为主，熔池边界(MPBs)密度显著高于XY平面（+47%）。亚晶界区域存在Cr、Mo元素偏聚和纳米夹杂物富集。

Electrochemical Behavior
电化学测试显示XY平面的自腐蚀电位（E_corr）比YZ平面高120 mV，钝化电流密度低1个数量级。EIS数据拟合表明XY平面钝化膜电阻（R_p）为YZ平面的2.3倍。Mott-Schottky分析证实XY平面钝化膜载流子密度更低（3.1×10²⁰ vs 6.8×10²⁰ cm^-3），缺陷更少。

Corrosion Morphology
YZ平面在0.9% NaCl溶液中呈现沿MPBs的网状腐蚀形貌，亚晶界区域出现深度达15 μm的选择性腐蚀沟槽；XY平面仅见稀疏点蚀坑（平均直径<2 μm）。XPS分析表明XY平面钝化膜中Cr₂O₃/Cr(OH)₃比例更高（72% vs 58%），保护性更强。

讨论与结论
研究表明：

1. XY平面优异的耐蚀性源于细晶强化效应——高密度亚晶界和位错促进Cr³⁺快速扩散，形成致密钝化膜；纳米夹杂物的均匀分布避免了局部微电偶腐蚀。
2. YZ平面的选择性腐蚀与MPBs的高缺陷密度直接相关：熔池边界处的元素偏析和夹杂物富集形成微电池，加速局部阳极溶解。
3. 亚晶界区域的位错缠结和溶质偏聚（如Mo贫化区）进一步降低了局部钝化能力。

该研究首次建立了LPBF-CoCrMo合金微观结构参数（晶粒尺寸、MPBs密度、亚晶界特征）与腐蚀抗性的定量关系，为通过工艺优化（如激光参数调整、后热处理）调控特定取向的耐蚀性提供了科学依据。在临床应用层面，研究建议在植入体设计时优先将高应力区域（如关节接触面）与XY平面对齐，以最大限度降低腐蚀风险。这一成果不仅推动了AM技术在生物医学领域的标准化应用，也为开发新一代高耐蚀植入体材料奠定了理论基础。