激光粉末床熔融制备TiN纳米颗粒增强CoCrMoW合金的微观结构与耐磨性能研究

推荐：研究人员针对CoCrMoW合金在生物医学植入物中耐磨性不足的问题，采用激光粉末床熔融（LPBF）技术制备TiN纳米颗粒增强复合材料。通过微观结构表征和耐磨性测试，揭示了TiN颗粒的均匀分布及半共格界面特性，显著降低了摩擦系数（COF）和磨损率，为延长骨科植入物寿命提供了新策略。

　　

在生物医学领域，钴铬钼钨（CoCrMoW）合金因其优异的强度、耐腐蚀性和生物相容性，被广泛用于骨科植入物。然而，传统铸造工艺易产生粗大枝晶和碳化物析出等缺陷，影响其力学性能。更严峻的是，植入物与骨组织的摩擦会导致无菌性松动，缩短使用寿命。尽管激光粉末床熔融（Laser Powder Bed Fusion, LPBF）技术能通过高能激光快速冷却制备高性能合金，但如何进一步提升其耐磨性仍是挑战。

为此，国内研究人员采用LPBF技术制备了氮化钛（TiN）纳米颗粒增强的CoCrMoW复合材料。通过溶液混合法将TiN颗粒均匀分散于合金粉末表面，优化激光功率（220 W）、扫描速度（950 mm/s）等参数，成功打印出致密度超过99%的样品。研究结合电子背散射衍射（EBSD）、透射电镜（TEM）和摩擦试验，系统分析了TiN对合金微观结构和耐磨性能的影响。

关键方法

1. 材料制备：采用溶液混合法将TiN纳米颗粒（1-2 wt%）与CoCrMoW粉末复合，通过LPBF工艺成型。
2. 微观表征：利用EBSD、X射线衍射（XRD）和TEM解析相组成与界面特性。
3. 性能测试：通过球-盘摩擦试验（60 N载荷）评估摩擦系数和磨损率，结合激光共聚焦显微镜分析磨损形貌。

研究结果
3.1 微观结构
LPBF成型的样品呈现γ-FCC（面心立方）和ε-HCP（六方密堆）双相结构，并伴有大量堆垛层错（SFs）。1 wt% TiN添加时颗粒分布均匀，而2 wt%时颗粒尺寸增大、间距减小。TiN与基体呈现半共格界面，取向关系为[001]_TiN//[011]_γ，(020)_TiN//(111)_γ（图5）。

3.2 耐磨性能
TiN的加入使硬度从455 HV（CCM-0）提升至567 HV（CCM-2）。摩擦系数从0.36降至0.29，磨损率降低15.5%。3D形貌显示CCM-2的磨痕宽度（900 μm）和深度（26 μm）均小于未添加样品（图7）。

3.3 磨损机制
未添加样品以氧化磨损为主，表面存在深沟槽和松散氧化物碎片；而TiN增强样品表现为磨粒磨损，摩擦膜连续平整（图8）。TiN颗粒通过承载载荷和抑制基体变形，显著提升耐磨性。

结论与意义
该研究证实TiN纳米颗粒可通过LPBF工艺与CoCrMoW合金形成强界面结合，其半共格结构和均匀分布有效抑制了氧化磨损，使摩擦性能提升19.4%。这一成果为设计长寿命生物医用植入材料提供了新思路，尤其适用于高摩擦环境的骨科应用。未来可通过优化TiN含量与LPBF参数，进一步平衡力学与生物相容性需求。