激光粉末床熔融制备Ti-30Nb-2.5Sn合金的工艺窗口优化及其生物医学应用潜力

本文聚焦激光粉末床熔融（PBF-LB）技术通过原位合金化制备Ti-30Nb-2.5Sn（wt.%）生物医用合金的工艺优化，系统评估了激光功率与扫描速度对成分均匀性、孔隙率及织构的影响。研究发现中低能参数组合可减少未熔Nb颗粒，但会诱发α相析出而非理想α’’+β组织，为骨科植入物材料设计提供了新见解。

　　

Highlight

采用激光粉末床熔融（PBF-LB）技术成功实现Ti-30Nb-2.5Sn合金的原位合金化合成，通过调控激光功率（1070 nm波长，80 μm光斑）与扫描速度参数，揭示了中低能密度区域（中等功率+低速扫描）在减少未熔Nb颗粒和孔隙率方面的优势，但需警惕该条件引发的α相竞争性析出问题。

Experimental Procedure

实验采用气雾化纯钛（CP Ti，2级）、Nb（99.8%）和Sn（99.8%）粉末，在氩气保护下以140 rpm转速机械混合2小时。使用配备Yb:YAG光纤激光器（1070 nm）的OmniSint-160设备进行打印，通过正交实验设计探索了从50W到200W的激光功率及50-800 mm/s的扫描速度组合。

Powder characterization

钛粉呈现近球形（D₅₀≈18 μm），边缘因高反应性略有扁平化；铌粉虽主体为球形，但大颗粒出现不规则形貌，其D₅₀显著低于钛粉。这种粒径差异为熔融均匀性带来挑战。

Conclusions

• 创新性发现中低能参数组合可优化Nb熔合与致密化平衡

• 低速扫描导致{001}织构，而高速样本呈现随机织构

• 硬度提升受三大因素调控：元素均匀性、α相析出及孔隙率

该研究为开发低模量高硬度骨科植入物提供了工艺基准，但需进一步抑制α相以维持β相优势。