电子束熔融制备β型钛合金多孔结构的低周疲劳行为及细胞形态调控机制研究

为解决骨科植入材料长期服役性能问题，Y. Han团队通过电子束熔融(EBM)技术制备了具有菱形十二面体(RD)和拓扑优化(TO)单元结构的Ti-24Nb-4Zr-8Sn(Ti2448)多孔合金，系统研究了细胞形态对压缩性能和应变控制低周疲劳(LCF)行为的影响。研究发现RD结构展现出更优异的应变控制疲劳性能，其可恢复弹性应变能力较TO结构提升30%，为设计高疲劳强度的轻量化金属多孔植入体提供了重要指导。

　　

在骨科植入领域，传统钛合金面临两大挑战：一是弹性模量与骨组织不匹配导致的"应力屏蔽效应"，二是长期循环载荷下的疲劳失效风险。虽然多孔结构能降低弹性模量并促进骨长入，但现有Ti-6Al-4V合金存在毒性风险且疲劳性能欠佳。更棘手的是，关于增材制造多孔材料的疲劳研究多集中于应力控制高周疲劳(HCF)，而实际应用中高应力水平下的低周疲劳(LCF)行为却鲜有报道。

来自沈阳工业大学的Y. Han团队在《Journal of Materials Research and Technology》发表研究，采用电子束熔融(EBM)技术制备了两种不同细胞形态的β型钛合金(Ti2448)多孔样品：菱形十二面体(RD)和拓扑优化(TO)结构。通过压缩测试、应变控制LCF实验结合X射线断层扫描(XRT)等技术，揭示了细胞形态对力学性能的影响机制。

关键技术包括：1) 使用Arcam A1 PBF-EB系统制备理论孔隙率85%的多孔样品；2) 采用Instron E10000进行应变控制疲劳测试(应变比R=0.5)；3) 通过Xradia VersaXRM-500进行高分辨率三维成像；4) 运用Abaqus软件进行有限元应力分布模拟。

【3.1 微观结构表征】

EBM制备的样品支柱表面存在未完全熔化的球形颗粒，粗糙度较高。经750°C固溶处理后，支柱呈现单一β相结构，这与Ti-6Al-4V中存在的α′-马氏体形成鲜明对比。

【3.2 静态压缩性能】

RD结构的压缩屈服强度(23.23±1.14 MPa)低于TO结构(28.76±0.82 MPa)，但表现出更平滑的应力平台。相比之下，相同结构的Ti-6Al-4V样品虽具有更高强度，却呈现典型脆性断裂特征，压缩后完全粉碎。

【3.3 应变控制LCF性能】

在2%应变幅值下，RD结构的弹性应变幅(0.8%)显著高于TO结构(0.5%)，其疲劳寿命达到10⁵循环次数时仍未失效。根据Coffin-Manson方程拟合，RD结构的疲劳参数γ(0.75)和C(2.39)均优于TO结构(0.51,1.41)。

【3.3.5 疲劳失效机制】

XRT显示RD结构的裂纹集中出现在节点处，与45°方向的破碎带相关；而TO结构的裂纹则同时出现在水平和垂直支柱上。SEM观察发现Ti2448的裂纹扩展呈锯齿状，明显不同于Ti-6Al-4V的直线路径。

讨论部分指出，RD结构优异的LCF性能源于三方面：1) 支柱以弯曲变形为主，可维持更大可恢复弹性应变；2) β相基体具有3%的超弹性应变能力；3) 裂纹扩展过程中的显著偏转现象。相比之下，TO结构因拉伸变形占主导，虽然静态强度较高，但疲劳性能反而降低。

该研究首次系统揭示了细胞形态对多孔材料LCF行为的影响规律，证实Ti2448合金在应变控制疲劳方面显著优于传统Ti-6Al-4V。特别是提出的"弯曲主导型"RD结构设计策略，为开发兼具低弹性模量和高疲劳强度的新型骨科植入物提供了重要理论依据。研究还建立了多孔材料塑性应变积累与疲劳寿命的定量关系，填补了该领域在低周疲劳研究方面的空白。