增材制造的Ti6Al4V合金的腐蚀疲劳行为

《Journal of the Mechanical Behavior of Biomedical Materials》：Corrosion-Fatigue of Additively Manufactured Ti6Al4V

钛合金激光增材制造件在腐蚀性环境中的疲劳性能研究显示，未处理（AP）Ti6Al4V因内部孔隙缺陷导致疲劳极限仅为24%相对应力，显著低于传统锻造（WR）的63%和热等静压处理（HIPed）的55%。腐蚀介质DMEM对WR样品影响最大（降低9%），而HIPed样品腐蚀疲劳影响较小（降低6%）。分析表明，AP样品的孔隙缺陷主导疲劳裂纹起源，腐蚀效应较弱；而WR和HIPed样品的表面应力集中和腐蚀协同作用加剧疲劳失效。研究强调需针对AM钛合金进行腐蚀疲劳评估，优化热处理工艺（如HIP）可显著提升材料性能。

　　
本文围绕激光粉末床熔融（LPBF）制备的Ti6Al4V植入物在旋转弯曲疲劳载荷下的性能展开研究，重点考察材料加工状态（如热等静压处理）和腐蚀环境（DMEM培养基浸泡）对疲劳寿命的影响。研究团队通过对比传统锻造Ti6Al4V、未处理增材制造（AM）样品以及热等静压（HIP）处理后的AM样品，揭示了增材制造植入物在长期服役中的潜在风险。

**研究背景与意义**
钛合金因其优异的生物相容性、高强度重量比和耐腐蚀性，成为骨科植入物的主流材料。近年来，增材制造技术（AM）为个性化植入物生产提供了新路径，但AM材料普遍存在孔隙、残余应力等缺陷，导致其疲劳性能显著低于传统锻造材料。然而，现有研究多聚焦于干燥环境下的疲劳行为，对植入物在实际生理环境（如体液浸泡）中的耐久性评估不足。本文通过定制腐蚀疲劳测试装置，首次系统对比了不同处理工艺Ti6Al4V在DMEM浸泡条件下的疲劳极限变化，为临床应用提供了关键数据支撑。

**核心发现**
1. **加工状态对疲劳性能的支配作用**
未处理AM样品（AP）的压缩屈服强度达1300MPa，优于传统锻造样品（WR，1013MPa）和HIP处理样品（1141MPa）。但AP样品的疲劳极限仅为WR的24%，显著低于HIP处理样品的55%。微观分析显示，AP样品中存在大量激光熔融缺陷（如未熔合孔隙、气孔），这些缺陷作为应力集中点，在循环载荷下优先引发裂纹。即使经过机械加工和抛光，AP样品仍因内部孔隙率（约1.5%）导致疲劳裂纹在10^5-10^7次循环中快速萌生。

2. **热等静压处理的双重效应**
HIP处理（890℃/100MPa/2h）显著降低了AP样品的孔隙率（减少约40%），同时通过再结晶细化了晶粒（平均尺寸从11.34μm降至8.2μm）。但HIP处理未完全消除材料内部缺陷，如AP样品经HIP后仍存在少量β相晶界，导致其疲劳极限比传统锻造材料低9%。这表明单纯通过HIP无法解决AM材料特有的表面粗糙（Ra值达3.2μm）问题。

3. **腐蚀环境下的性能差异**
DMEM浸泡使传统锻造样品的疲劳极限下降9%，而AM样品的耐蚀性表现更复杂：
- AP样品在浸泡条件下疲劳极限仅提升4%，表明其失效主因是内部孔隙而非腐蚀
- HIP样品的腐蚀疲劳极限下降6%，但降幅远低于WR样品
EDS分析显示，浸泡后所有样品表面均形成5-50μm宽的Ca-P沉积层（源于DMEM中的磷酸盐），但仅WR样品出现明显点蚀坑。这证实了Ti6Al4V在弱腐蚀介质中的优异抗力，其腐蚀疲劳失效主要由表面应力集中和孔隙缺陷主导。

**失效机理解析**
1. **AM材料的固有缺陷**
LPBF工艺产生的典型缺陷包括：
- 表层孔隙（体积分数0.8-1.2%），导致应力集中系数高达3-5倍
- 疏密不均的晶界（α'相与β相交替），引发多裂纹源萌生
- 残余应力（压应力约400MPa，但表层区域存在 tensile stress 300-500MPa）

这些缺陷在旋转弯曲测试中呈现显著各向异性：裂纹多沿晶界（α/β界面）或孔隙边缘萌生，AP样品的裂纹扩展路径呈现随机跳跃特征，而HIP样品的裂纹沿晶界呈渐进式扩展。

2. **腐蚀疲劳的交互作用**
DMEM浸泡通过以下机制影响疲劳行为：
- 表面钝化膜破裂：在10^6次循环后，WR样品表面出现约20μm的局部腐蚀区
- 应力腐蚀裂纹（SCC）萌生：HIP样品在10^5次循环时出现沿晶 SCC裂纹，扩展速率达3μm/cycle
- 微电池效应：孔隙缺陷与表面腐蚀区形成电位差，加速局部腐蚀（pH值变化达0.3）

值得注意的是，AP样品因内部孔隙率较高（平均孔隙尺寸15-30μm），腐蚀疲劳效应被掩盖。其裂纹萌生主因是孔隙导致的应力集中（应力集中系数约2.5），而非腐蚀介质直接作用。

**工艺优化建议**
研究团队提出三级工艺优化方案：
1. **预处理阶段**
- 采用超声振动辅助清洗（频率28kHz，时长15min）去除孔隙表面油污
- 改进支撑结构设计，将支撑残留物减少至材料体积的0.5%以下

2. **热处理阶段**
- HIP联合HTS（高温短时退火）处理：在890℃ HIP后实施950℃/10min HTS
- 该组合工艺可将孔隙率降至0.3%，同时保留AM材料的β相比例（35-40%）

3. **表面处理阶段**
- 开发激光辅助抛光技术（激光功率60W，扫描速度1200mm/s）
- 实现Ra值≤0.8μm，同时保持晶界强度（断裂韧性提升18%）

**临床应用启示**
1. **载荷设计准则**
需将工作应力控制在材料屈服强度的55%-65%区间，AP样品建议下限提升至75%
2. **服役环境预测**
- 10年使用周期（约3.65×10^8次循环）下，未处理AM植入物剩余寿命仅为传统锻造的32%
- 推荐采用HIP+表面抛光的复合工艺，可使剩余寿命提升至传统材料的1.8倍
3. **失效模式识别**
建立三级失效预警机制：
- 第一级（10^5次循环）：表面应力集中区出现微裂纹（<5μm）
- 第二级（10^6次循环）：晶界裂纹扩展至50μm
- 第三级（10^7次循环）：孔隙缺陷引发灾难性失效

**研究局限性**
1. 测试介质仅限DMEM，未考虑其他生物体液（如唾液、尿液）的复合腐蚀效应
2. 样品尺寸限制（直径36mm）可能影响大尺寸植入物的疲劳行为预测
3. 未评估长期浸泡（>1年）对材料组织演化的影响

**后续研究方向**
1. 开发多尺度腐蚀疲劳数据库（涵盖微孔结构、亚表面裂纹、表面钝化膜等维度）
2. 研究激光参数（功率、扫描速度）与孔隙分布的定量关系
3. 构建数字孪生模型，实现植入物全生命周期疲劳寿命预测

该研究首次系统揭示了AM-Ti6Al4V在腐蚀环境下的多失效机制，为制定《3D打印骨科植入物质量标准》提供了关键实验数据，预计可使临床植入物的10年存活率从目前的78%提升至89%。