阐明激光粉末床熔融制备的CoCrMo生物医学合金的各向异性力学行为：对微观结构异质性的洞察

《Materials Science and Engineering: A》：Elucidating the anisotropic mechanical behavior of laser powder bed fusion-fabricated CoCrMo biomedical alloys: insights into microstructural heterogeneity

CoCrMo合金LPBF加工后XY/YZ平面力学各向异性机制研究，通过多尺度显微表征与Shoji-Nishiyama取向关系分析，揭示了晶界强化与应变诱导马氏体相变（SIMT）对强度和延展性的差异化调控作用，提出工艺优化需兼顾晶体学织构与微观异质性协同优化。

　　CoCrMo合金因其优异的力学性能和生物相容性，广泛应用于生物医学植入物领域，如牙科和骨科植入物。近年来，随着增材制造（Additive Manufacturing, AM）技术的发展，特别是激光粉末床熔融（Laser Powder Bed Fusion, LPBF）工艺的成熟，使得复杂结构的高精度金属部件制造成为可能。然而，LPBF工艺在制造过程中引入的快速热循环，导致了材料的显著微观结构异质性，进而影响了其力学性能的各向异性。为了更深入地理解这一现象，本文通过多尺度的微观结构表征和分析，系统研究了LPBF制造的CoCrMo合金在XY（扫描）平面和YZ（构建）平面中的各向异性力学行为，并揭示了其背后的机制。

在XY平面中，CoCrMo合金表现出较高的屈服强度（671 MPa）和抗拉强度（1116 MPa），而在YZ平面中则展现出更好的延展性（8.8%）。这种力学性能的差异主要源于不同的微观结构特征。XY平面中的高屈服强度和抗拉强度被认为是由密集的晶界、位错和夹杂物协同强化效应所导致的。而YZ平面的高延展性则与晶体学织构驱动下的应变诱导马氏体相变（Strain-Induced Martensitic Transformation, SIMT）密切相关。SIMT是材料在塑性变形过程中发生的一种重要机制，它涉及到从面心立方（Face-Centered Cubic, FCC）结构向六方密堆积（Hexagonal Close-Packed, HCP）结构的转变。这种转变通常发生在特定的变形条件下，例如在应力作用下，FCC结构中的部分位错滑移形成堆垛层错（Stacking Faults, SFs），这些层错成为HCP相（即ε相）形核和生长的前驱体。随着变形的进行，ε相层的增厚会细化晶粒结构，并形成多层交错的层状架构，从而有效阻碍位错运动，增强应变硬化能力。

此外，SIMT不仅显著提高了材料的延展性和断裂韧性，还缓解了应力集中，从而延迟裂纹的萌生和扩展。然而，尽管已有许多研究关注LPBF工艺对CoCrMo合金力学各向异性的影响，但对SIMT在晶体学取向上的依赖性及其对塑性变形方向性影响的系统研究仍较为有限。这一知识空白限制了对材料在实际使用中性能和可靠性的机理理解，也阻碍了对材料设计的准确预测。因此，本文通过多尺度的表征和分析，旨在揭示CoCrMo合金在LPBF工艺下的各向异性强度和延展性的根源，并建立一个合理的机制框架，以指导更高级别的生物医学植入物的力学优化和结构设计。

为了实现这一目标，本文采用了多种先进的表征技术，包括高分辨率透射电子显微镜（High-Resolution Transmission Electron Microscopy, HRTEM）等。HRTEM的高分辨率图像揭示了材料在不同变形条件下的关键变形机制，如SIMT、位错滑移、Lomer-Cottrell（L-C）锁和纳米级夹杂物相互作用。这些微观结构特征不仅影响了材料的强度和延展性，还决定了其在不同方向上的力学响应。通过综合分析这些机制，本文能够更全面地理解材料在不同构建方向上的性能差异，并为优化其力学性能提供理论依据。

在样本制备方面，本文使用的CoCrMo预合金粉末（图1a）是从商业供应商处获得的，其生产过程通过气体雾化在高纯度氩气氛围下完成。这种工艺通过在惰性环境中将熔融金属分解为细小的液滴，然后进行快速凝固，从而减少了氧化，提高了化学纯度和球形度。这些特性对于确保LPBF工艺中粉末的良好流动性以及均匀的粉末沉积至关重要。粉末的高质量不仅有助于提高成形过程的可控性，还对最终材料的微观结构和力学性能具有重要影响。

在X射线衍射（XRD）分析中，本文发现XY和YZ平面均表现出γ-Co（FCC）和ε-Co（HCP）相的特征衍射峰。主要的γ-Co峰对应于（111）、（200）和（220）晶面，而ε-Co的反射则对应于（10-10）、（10-11）和（11-20）晶面。在CoCrMo合金中，γ相向ε相的平衡转变通常发生在约970°C [31]。然而，由于在这一温度下化学驱动力有限，因此转变动力学可能受到其他因素的影响。例如，材料的冷却速率、热历史以及粉末的初始状态等都可能影响γ→ε相变的进行。

在讨论部分，本文进一步探讨了构建方向对CoCrMo合金力学各向异性的影响。XY平面表现出较高的屈服强度和抗拉强度，但延展性较低，而YZ平面则展现出更高的延展性。尽管以往的研究主要将这种各向异性归因于晶体学织构的影响，但本文的研究结果表明，织构和微观结构异质性在共同作用下对这种行为有显著贡献。特别是，YZ平面中的晶体学织构可能通过促进SIMT的发生，从而显著增强材料的延展性。这种SIMT机制在以往的研究中往往被忽视，但其在塑性变形中的作用却至关重要。

此外，本文还通过Shoji-Nishiyama（S-N）取向关系的变体选择分析，结合相互作用能量和Schmid因子的计算，预测并验证了ε相的形成。这一分析方法能够帮助研究人员更好地理解材料在不同变形条件下的微观结构演变，以及其对力学性能的影响。通过这种综合分析，本文不仅揭示了材料在不同构建方向上的性能差异，还为优化其力学性能提供了新的思路。

在结论部分，本文总结了LPBF制造的CoCrMo合金在不同构建方向上的微观结构和力学性能特征。主要结论包括：首先，XY和YZ平面之间存在显著的微观结构各向异性。YZ平面表现出更高的晶界密度和粗大的柱状晶，晶粒取向主要沿<101>//BD方向。相比之下，XY平面则呈现出更细小的等轴晶，更高的位错密度以及晶粒的等轴分布。其次，SIMT在YZ平面中的发生对延展性的提升起到了关键作用，而XY平面中的高屈服强度和抗拉强度则主要由密集的晶界、位错和夹杂物协同强化效应所导致。这些发现为理解CoCrMo合金在不同构建方向上的力学性能提供了新的视角，并为未来在生物医学植入物设计中的应用提供了理论支持。

本文的研究不仅拓展了对LPBF制造材料的力学性能的理解，也为优化其性能提供了新的方法。通过多尺度的微观结构表征和分析，研究人员能够更准确地预测材料在不同构建方向上的性能表现，并为实现更高质量的生物医学植入物提供指导。此外，本文的研究结果还表明，SIMT机制在材料的塑性变形中起到了重要作用，这为未来在其他金属材料中的研究提供了参考。

在实际应用中，生物医学植入物需要满足严格的力学和临床性能要求。因此，深入理解材料的微观结构与力学性能之间的关系，对于提高植入物的使用寿命和可靠性具有重要意义。本文的研究结果表明，通过合理设计构建方向和优化工艺参数，可以有效调控材料的微观结构，从而实现所需的力学性能。例如，在YZ平面中，通过促进SIMT的发生，可以显著提高材料的延展性，使其更适用于承受复杂生理应力的植入物。而在XY平面中，通过增加晶界密度和位错密度，可以有效提高材料的强度，使其更适用于需要高强度的植入物。

此外，本文的研究还揭示了材料在不同构建方向上的微观结构异质性对力学性能的影响。例如，XY平面中的熔池特征通常呈现出条纹状结构和等轴晶，而YZ平面则呈现出鱼鳞状熔池边界和柱状晶。这些微观结构特征不仅影响了材料的强度和延展性，还决定了其在不同方向上的力学响应。通过综合分析这些特征，研究人员能够更全面地理解材料的性能差异，并为优化其性能提供理论依据。

总的来说，本文的研究为理解LPBF制造的CoCrMo合金在不同构建方向上的力学性能提供了重要的理论支持。通过多尺度的表征和分析，研究人员能够揭示材料的微观结构特征与力学性能之间的关系，并为实现更高质量的生物医学植入物提供指导。这些研究成果不仅有助于提高材料的性能，也为未来的材料设计和应用提供了新的思路。