选区激光熔化成型多孔Ti-15Mo合金力学性能的实验与模拟研究

来源 :长沙理工大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:jiaoxuepan
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在生物医疗领域,由金属植入物与植入骨之间的机械性能不匹配,而产生应力屏蔽效应是一个急需解决的问题。一方面在材料的选择上,应尽量选择低弹性模量、耐腐蚀和生物相容性好的材料;另一方面在结构的选择上,选用多孔结构来模拟松植骨的特征。此外,采用传统方法制备多孔结构方面,存在着精度不足,加工困难不能满足个性化定制要求。针对这些问题,本文选用Ti-15Mo合金材料,利用选区激光熔化技术成型多孔结构,本文主要研究内容和结论如下:(1)设计了均匀结构BCC,BCCZ,FCC,FCCZ和FBCCZ模型,以及梯度结构GBCC和GFCC模型的点阵结构,得出均匀结构其支杆直径与孔隙率的关系式;针对单胞尺寸与支杆直径对孔隙率的敏感性的问题,设计了不同单胞尺寸与支杆直径的模型,得出FBCCZ结构的孔隙率对单胞尺寸与单胞直径变化最为敏感,而BCC对其敏感性最低。(2)通过软件Simufact Additive对点阵结构成型过程进行了模拟,证实设计的结构均能较好成型。采用选区激光熔化技术成功制备出Ti-15Mo合金设计的不同点阵结构。对试样进行压缩试验,发现试样并没有明显的断裂,有较好的塑性。均匀结构与梯度结构其失效方式不同,均匀结构一般呈斜对角线失效,梯度结构则以逐层坍塌的形式失效。不同结构的弹性模量在0.4~3GPa之间,符合小梁骨弹性模量在0.02~3GPa范围内,满足人体骨植入的力学性能要求。对比均匀结构与其梯度结构的吸能性能,得出梯度结构有更大的吸能总量。(3)研究了 BCC结构单胞模型和堆积模型对力学性能的影响,发现单胞模型的弹性模量和屈服强度均高于其堆积模型。可以用27个堆积模型来研究此结构的力学性能,提高运算效率。对相同结构不同相对密度的弹性膜模量和屈服强度分析,可得随着相对密度的增加,其弹性模量和屈服强度也均增加。通过应力云图发现了点阵结构存在着应力集中的现象。通过拓扑优化的方法对BCC模型结点处应力进行降低,并且重新建模,优化后结点处最高应力1118MPa降低为755MPa。
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