激光粉末床熔融调控镁合金WE43织构与力学性能的研究

本研究针对可降解镁合金WE43在激光粉末床熔融(PBF-LB)加工中织构与力学性能的调控难题，通过设计67°和90°层间旋转扫描策略及水平/垂直构建方向，结合XRD、EBSD和中子衍射等多尺度表征手段，发现构建方向可显著提升材料强度（水平样品屈服强度最高提升74%），为定制化生物医用植入体性能提供了新思路。

　　

在骨科植入物领域，镁合金因其优异的生物相容性和可降解性备受关注，但传统加工方法难以兼顾复杂几何结构与力学性能的定制化需求。尤其对于含稀土元素(REE)的WE43合金（成分Mg-4wt%Y-3wt%Nd-0.5wt%Zr），其六方密排(HCP)晶体结构的各向异性导致力学性能强烈依赖晶粒取向，而激光粉末床熔融(PBF-LB)技术为调控材料织构提供了新机遇。然而，当前对PBF-LB工艺参数如何影响镁合金微观结构与性能的认知仍存在空白，这严重制约了其在承重骨替代物等高端医疗场景的应用。

针对这一挑战，瑞典的研究团队在《Materials》发表了一项创新研究。他们系统探究了两种激光扫描策略（67°和90°层间旋转）与构建方向（水平H/垂直V）对WE43合金织构和力学性能的影响。通过多尺度表征与力学测试相结合，揭示了PBF-LB工艺调控镁合金性能的内在机制。

关键技术方法
研究采用EOS M100系统进行PBF-LB成型，保持激光功率90W、扫描速度1100mm/s等核心参数恒定。通过X射线衍射(XRD)和扫描电镜(SEM)分析相组成，电子背散射衍射(EBSD)解析局部织构，中子衍射测定整体晶体取向分布，并结合拉伸试验评估力学性能差异。所有样品均通过阿基米德法测定密度（>99.3%），确保数据可靠性。

研究结果

3.1 构建质量与微观结构
密度测试显示四组样品（V67/V90/H67/H90）孔隙率无统计学差异（p>0.05）。SEM观察到熔池边界存在Y₂O₃富集带和Zr-rich颗粒，但未检测到Nd-Mg₃相。XRD谱图揭示垂直构建样品(002)峰强度显著增强，表明c轴沿构建方向择优排列。中子衍射极图证实67°旋转策略产生更强的基面织构，而90°旋转还影响了面内织构分布，形成独特的"十字形"(002)极图模式。

3.2 力学响应
水平构建样品展现出显著强化的力学性能：与垂直样品相比，H67和H90的屈服强度分别提升51%和74%，抗拉强度提高约19%。这种各向异性源于织构差异——当加载方向垂直于c轴（水平样品）时，基面滑移系难以启动，需通过孪生机制协调变形，从而产生强化效应。但扫描策略对力学性能的影响未达统计学显著性（p>0.05），尽管其改变了面内织构特征。

讨论与意义
该研究首次系统阐明了PBF-LB工艺参数对镁合金WE43织构演变的调控规律。垂直构建形成的强基面织构与铸造镁合金典型随机取向形成鲜明对比，这种特性源于沿温度梯度方向的定向晶粒生长。研究创新性地发现，虽然67°与90°扫描策略均可通过改变熔池重叠模式调控面内织构，但构建方向才是决定力学性能的关键因素——这一结论为定制化植入体设计提供了明确指导。

值得注意的是，水平构建样品需要支撑结构导致的残余应力可能协同增强力学性能，而熔池动态过程中可能产生的未熔颗粒（尺寸40-50μm）成为影响断裂韧性的潜在因素。未来研究可进一步探索织构对降解行为的影响，因为不同晶面的电化学活性差异可能为降解速率调控提供新维度。

该工作不仅填补了PBF-LB镁合金工艺-性能关系研究的空白，更为开发兼具几何适配性、力学适配性和降解适配性的新一代骨科植入物奠定了科学基础。通过精准控制构建方向与扫描策略，有望实现"性能可编程"的生物医用镁合金器件，这对应对全球抗生素耐药性挑战和个性化医疗需求具有双重战略意义。