《Materials Today Communications》：Machinability of complex concentrated alloys for bio-implants: Roughness analysis after machining
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采用激光粉末床熔融（Laser Powder Bed Fusion, L-PBF）技术制备的TiNbZrMoTa基高熵合金（High-Entropy Alloys, HEAs）是生物医学植入物的有前景候选材料，但其后续加工可加工性仍研究不足。本研究旨在探讨增材
采用激光粉末床熔融（Laser Powder Bed Fusion, L-PBF）技术制备的TiNbZrMoTa基高熵合金（High-Entropy Alloys, HEAs）是生物医学植入物的有前景候选材料，但其后续加工可加工性仍研究不足。本研究旨在探讨增材制造条件和加工策略对3种不同体积能量密度（Volumetric Energy Density, VED）下制备的TiNbZrMoTa基HEAs切削力和表面完整性的影响。研究人员评估了5种不同进给速率下的加工配置。切削力测量结果显示，合金牌号和加工策略均具有显著影响。在硬质合金切削条件下，平均切削力从VED550的28.8±1.2 N增加至VED350的57.3±1.4 N和VED88的61.1±2.7 N。与切削工具相比，磨削加工可将加工载荷降低高达68%。进给速率的增加会提高切削力，但对表面粗糙度影响有限。切削工具始终产生最光滑的表面，Ra/Sa值低于0.30 μm。采用切削工具加工的VED88合金表现出最佳综合性能，其Ra = 0.118±0.018 μm，Rz = 0.765±0.144 μm，Sa = 0.143±0.010 μm，Sz = 2.365±0.533 μm。单因素方差分析（One-way ANOVA）表明，加工配置对粗糙度参数具有高度显著影响（p < 0.001），而超声辅助主要通过将Sz变异度从7.31降至2.45 μm来改善工艺稳定性。研究结果确定，采用硬质合金切削工具加工的VED88是生物医学植入物应用中可加工性、表面完整性和工艺重复性之间的最佳折衷方案。这些结果为增材制造HEAs的后处理提供了指导，并支持其集成到对表面完整性至关重要的机加工生物医学植入物中。
该研究聚焦于激光粉末床熔融（L-PBF）制备的TiNbZrMoTa基高熵合金（HEAs）在生物植入物应用中的后处理可加工性问题，相关成果发表于《Materials Today Communications》。
研究背景方面，随着人口老龄化加剧，对下一代金属生物材料的需求日益增长，特别是用于牙科植入物等长期植入装置的材料。传统钛基生物材料如Ti-6Al-4V和Ti-Nb-Zr合金虽广泛应用，但存在弹性模量高于皮质骨导致应力屏蔽、Al和V离子释放风险等问题。TiNbZrMoTa基HEAs因各组成元素均具有优异生物相容性和耐腐蚀性而备受关注。同时，L-PBF技术可实现患者特异性几何形状和可控孔隙率的制造，但AM参数（如体积能量密度VED）对后续加工响应的影响尚不清楚。特别是植入物-基台连接处需要严格的尺寸精度和表面粗糙度控制，而目前该领域研究匮乏。因此，研究人员开展了这项针对L-PBF制备TiNbZrMoTa基HEAs可加工性的系统研究。
研究采用了五种加工配置：VED550硬质合金切削、VED350硬质合金切削、VED88硬质合金切削、VED88金刚石磨具超声辅助加工、VED88金刚石磨具无超声加工。样本来源于三种不同VED条件下制备的圆柱形HEA试样（直径10 mm，高度15 mm）。切削力通过Kistler测力仪（Type 9257B）记录，表面形貌采用共聚焦显微镜（Keyence VHX 7000）进行三维光学测量，依据ISO 25178-6标准获取0.256×0.256 mm
2平面区域内的表面数据。同时计算了2D参数（Ra、Rq、Rz，遵循ISO 21920-2/3）和3D参数（Sa、Sq、Sz，遵循ISO 25178-2），并采用单因素方差分析和Tukey HSD检验进行统计分析。
**可加工性与切削力**
切削力重复性评估结果
通过重复性评估（第3至6个面，相同进给速率条件下的加工），研究人员发现不同配置间切削力存在显著差异。VED88产生最高平均切削力（61.075 ± 2.7281 N），VED350次之（57.25 ± 1.3772 N），VED550最低（28.825 ± 1.2093 N）。转向磨削加工后，VED88+US配置将平均切削力降至22.35 N（降低约63%），VED88?US进一步降至19.55 ± 0.238 N，表现出最佳的重复性和稳定性。
HEA牌号对切削力的影响
在硬质合金切削条件下，三种VED材料的切削力随VED降低而增加。VED88和VED350形成最高统计组且无显著差异，VED550则显著较低。早期研究表明提高VED可改善微观结构均匀性和屈服强度，但高VED试样反而切削力更低，暗示增强的微观结构均匀性有利于材料去除。
进给速率的影响
分析八种加工面的切削力信号表明，进给速率增加 systematically 伴随着峰值和平均切削力的增加。VED88在最高进给速率（0.03 mm/tooth）下切削力超过73.7 N。然而，对于磨削工具配置，整体力水平仍显著低于切削工具。
切削工具与磨具的对比
两种磨具配置在所有进给速率下均产生显著更低的切削力，降低幅度达约50%。单因素方差分析显示磨削组（VED88+US、VED88?US）统计显著低于切削组（p < 0.0001）。磨削加工通过将材料去除分布到大量磨粒上，降低了瞬时机械载荷。
超声辅助的效果
超声辅助对磨削加工的切削力响应无显著影响。VED88+US与VED88?US的平均切削力差异小，经Tukey检验无统计显著性（调整后p ≈ 0.09）。研究人员认为磨削过程本身已有效降低机械载荷，超声振动的额外间歇接触未能产生可测量的全局切削力降低。
对牙科植入物应用的意义
降低的加工力有利于减少刀具磨损、改善尺寸精度、降低表面缺陷和微裂纹风险。磨削加工的良好重复性证明了其适用于需要高精度和可重复性的制造应用。
**表面形貌**
加工重复性评估结果
粗糙度重复性评估显示，单因素方差分析表明工具/材料组合对所有粗糙度参数具有高度显著影响（p < 0.001）。Tukey检验识别出两个统计上不同的组：低粗糙度组（切削工具）和高粗糙度组（磨具）。标准差范围从VED88切削工具Sa参数的0.0096 μm到VED88+US配置Sz参数的7.3138 μm不等。
切削工具加工表现出优越的重复性，VED88切削配置达到最低离散度（Ra_SD = 0.0175 μm，Sa_SD = 0.0096 μm）。对于3D粗糙度参数，超声辅助降低了标准差值，表明其对表面生成具有稳定化效应；但对于2D参数则呈现相反趋势。低粗糙度组对应于受控塑性变形和均匀材料去除的稳定切削过程；高粗糙度组则表现为不稳定的加工条件，存在微断裂、颗粒拔出和表面撕裂等损伤机制。
不同VED条件下的表面行为
三种VED切削工具配置在整个进给速率范围内均保持低粗糙度值。Ra和Sa低于0.3 μm。VED88切削工具产生略低于其他两种VED牌号的粗糙度值。2D参数的趋势在3D参数中得以重现。Sz作为对极端值最敏感的参数，显示出较高值（1.85 μm至7.6 μm），但各HEA牌号间无统计显著差异。
进给速率的影响
在所研究的进给速率范围内，VED550、VED350和VED88在切削工具配置下均未观察到表面粗糙度的显著变化。2D和3D粗糙度参数随进给速率增加保持相对稳定，仅出现不表明明显单调趋势的微小波动。
切削工具与磨具的对比
两种金刚石磨具工艺在整个进给速率范围内显示出比切削工具更高的粗糙度水平，统计分析确认了该趋势。HEA材料使用切削工具时获得的粗糙度约低5倍。
超声辅助的效果
无超声辅助的磨具几乎总是产生最高粗糙度值。在0.05 mm/tooth时，有/无超声辅助的2D粗糙度差异最大。3D参数显示，无超声辅助时在0.1 mm/tooth处出现明显峰值，提示不稳定的去除机制。超声辅助虽未使磨削加工在绝对粗糙度上达到切削工具水平，但明显降低了标准差，尤其是Sz和Sq的变异度。
对牙科植入物应用的意义
低粗糙度值（Ra ≈ 0.12–0.20 μm，Sa ≈ 0.13–0.22 μm）有利于机械密封，减少植入物-基台界面的微间隙，限制细菌渗透。VED88优异的Rz和Sz表现意味着改善的疲劳抗力和长期机械可靠性。磨削加工的显著更高粗糙度可能增加磨损率和碎屑产生，引发周围组织炎症反应。
**切削力与表面粗糙度的关系**
该部分探讨了切削力与表面粗糙度参数之间的关联性。研究人员发现，实验结果未揭示切削力大小与粗糙度参数之间存在直接相关性。VED88硬质合金切削工具配置产生最高平均切削力（61.1 N），同时实现了所有调查条件下的最低表面粗糙度值（Ra = 0.118 μm；Sa = 0.143 μm）；相反，磨削加工配置产生最低切削力（19.6–22.4 N），却产生最高粗糙度值（Sa = 0.705–0.895 μm）。这种表观逆趋势可通过材料去除机制的根本差异解释：切削加工通过明确切削刃实现受控切屑形成，促进均匀塑性变形和稳定切屑排出，表面生成过程确定性高；磨削加工依赖大量随机分布磨粒的相互作用，尽管整体切削力降低，但随机颗粒 engagement 促进了包括耕犁、微断裂、颗粒拔出和局部撕裂在内的非均质材料去除机制，导致更大的地形不规则性和极端表面特征。因此，研究人员认为过程稳定性而非平均切削力本身可能是表面质量更相关的指示指标。在给定进给速率范围内，进给速率的增加虽systematically提高了切削力，但未引起粗糙度的统计显著增加，表明选定加工条件处于稳定的精加工域内。
**结论**
该研究对L-PBF制备的三种TiNbZrMoTa基HEAs的可加工性和后处理表面完整性进行了全面评估。通过比较包括硬质合金切削工具以及有/无超声辅助的金刚石磨具在内的5种工具/材料配置，量化了加工策略、材料牌号和进给速率对切削力和粗糙度响应的影响。
在所有加工条件下，硬质合金切削工具始终产生最低粗糙度值，所有HEA牌号的Ra和Sa均低于0.3 μm。在所考察的组分中，预合金化VED88牌号表现出最有利的加工行为，产生各向同性形貌、降低的峰谷幅度以及粗糙度参数方面的最高重复性。
相比之下，磨削加工产生的表面粗糙度约高5倍，反映了本质上更不稳定的材料去除机制。尽管如此，超声辅助改善了磨削操作的稳定性，特别是通过降低Sz和Sq的变异度来减轻极端表面缺陷。然而即便如此，超声辅助磨削在表面光滑度和工艺重复性方面仍不及切削工具策略。
在所研究的进给速率范围内，进给速率对所有HEAs的粗糙度仅显示有限影响，表明对精加工操作中典型的小幅进给调整不敏感的稳健去除过程。这进一步巩固了硬质合金工具加工用于后处理生物医学组件用L-PBF HEAs的适用性。
同时，切削力分析表明HEA牌号和加工策略均有强烈影响。在硬质合金切削条件下，VED88产生最高切削力（61.1 ± 2.7 N），而VED550表现出显著更低的加工载荷（28.8 ± 1.2 N）。从切削向磨削加工的过渡使切削力降低高达68%，突显了分布式材料去除机制在降低机械载荷方面的有效性。进给速率systematically增加了切削力，但在研究范围内对表面粗糙度仅有限影响。虽然超声辅助与无超声辅助磨削相比未显著降低平均切削力，但其通过降低多个粗糙度参数的变异度为改善工艺稳定性做出了贡献。
这些结果为将增材制造HEAs整合到牙科植入物制造流程中提供了定量指导，其中表面完整性和加工载荷对工艺效率、尺寸精度和长期组件可靠性至关重要。未来工作将进一步研究机加工表面的摩擦学行为、疲劳响应和生物学性能，以增强这些合金临床应用的转化潜力。
