CN113102772B - 一种增材制造骨科钽金属、制备方法及应用 - Google Patents

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Abstract

本发明属于医疗应用技术领域，公开了一种增材制造骨科钽金属、制备方法及应用，采用激光熔融或电子束工艺加工成型，对粉体性、激光熔化参数、设备稳定性、铺粉质量、打印精度，氧气含量的生产参数进行优化。对成型后零件进行热等静压(HIP)/热处理(HT)，进而进行表面处理，可获得高致密性，高性能的成型件。本发明提供了高致密性的高性能钽金属,植入人体后具备稳定可靠的机械性能满足体内复杂的环境和力学要求，并且可以结合后续的表面处理满足不同的医疗应用场景需求。

Description

一种增材制造骨科钽金属、制备方法及应用
技术领域
本发明属于医疗应用技术领域，尤其涉及一种增材制造骨科钽金属、制备方法及应用。
背景技术
目前，钽金属作为生物相容性极佳的医用材料，同时具有良好的耐腐蚀性和机械性能。与目前应用广泛的钛和钛合金相比，钽金属具有更好的生物相容性和骨诱导能力，是下一代植入物的理想材料。增材制造或称3D打印是以数字模型为基础，将材料逐层堆积制造的新兴制造技术，在个性化定制、复杂结构部件制备等方面具有与医疗应用结合的显著优势。特别是制造的多孔结构，比如类似骨小梁结构可促进组织生长和投放药物，可调节力学性能实现个性化匹配。
但是钽金属的熔点2996度远远高于钛金属1660度，这对于钽金属为主的器械的制造加工是新的挑战，特别是植入人体的零部件需要稳定可靠的机械性能满足体内复杂的环境和力学要求。
通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：钽金属的熔点过高，以钽金属为主的器械的制造加工是新的挑战，特别是植入人体的零部件需要稳定可靠的机械性来满足体内复杂的环境和力学要求。
解决以上问题及缺陷的难度为：
钽金属的熔点高，机械性能优异。加工困难。需要提高提高能量束的能量密度以提高温度。后期的HIP工作温度也需要提高，压力需要增加。
解决以上问题及缺陷的意义为：
钽合金的生物相容性优异，甚至强于钛合金。用于制造人体植入物时的排异效应小，寿命更长，副作用小。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种增材制造骨科钽金属、制备方法及应用。
本发明是这样实现的，一种增材制造骨科钽金属的制备方法，所述增材制造骨科钽金属的制备方法包括以下步骤：
步骤一，采用激光熔融或电子束工艺将钽金属粉末加工成型；
步骤二，对粉体性、激光熔化参数、设备稳定性、铺粉质量、打印精度，氧气含量的生产参数进行优化；
步骤三，对成型后零件根据材料使用场景需求来决定使用热处理或是热等压处理，进而进行表面处理，获得高致密性，高性能的成型件。
进一步，步骤二中，激光功率100-1000W。氧气含量<100ppm。
步骤三中，温度为1600～2000摄氏度；工作压力50～200MPa,时间2-4小时。
进一步，步骤三中，热处理中温度为1950摄氏度，200MPa,2小时。
步骤三中，表面处理中温度为1750摄氏度，200MPa,2小时。
本发明地另一目的在于提供一种增材制造骨科钽金属，所述增材制造骨科钽金属通过所述材制造骨科钽金属的制备方法制备。
钽金属的杂质组成成分(ppm)
H N O C Fe Ni Cr Na K Ca Mg Si W
<10 <20 600 17 10 <3 <3 <3 <3 <3 <3 <3 300
进一步，增材制造用钽金属粉末45-75um。
本发明地另一目的在于提供一种利用所述增材制造骨科钽金属制造的生物相容性良好的医用模具。
结合上述的所有技术方案，本发明所具备的优点及积极效果为：本发明提供的增材制造骨科钽金属的制备方法，提供了一种高致密性的高性能钽金属制造方法，可以结合后续的表面处理满足不同的医疗应用场景需求。
实验表明：
图2是激光熔融后钽金属显微图，可见图中有大量分布斑点、块状的缺陷。
图3是钽金属增材制造后，热等压1750度，200MPa，2小时，图中斑点、块状缺陷明显被消除。
图4是钽金属增材制造后，热等压1950度，200MPa，2小时，图中斑点、块状缺陷基本被消除，此温度下材料比稍低处理温度(1750度)材料的延展性更高。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对本申请实施例中所需要使用的附图做简单的介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例提供的增材制造骨科钽金属的制备方法流程图。
图2是本发明钽金属增材制造后显微图。
图3是本发明钽金属增材制造后，热等压1750度，200MPa，2小时，显微图。
图4是本发明钽金属增材制造后，热等压1950度，200MPa，2小时，显微图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种增材制造骨科钽金属的制备方法，下面结合附图对本发明技术方案作详细的描述。
如图1所示，本发明实施例提供的增材制造骨科钽金属的制备方法包括以下步骤：
步骤一，采用激光熔融或电子束工艺将钽金属粉末加工成型；
步骤二，对粉体性、激光熔化参数、设备稳定性、铺粉质量、打印精度，氧气含量的生产参数进行优化；激光功率100-1000W。氧气含量<100ppm；
步骤三，对成型后零件根据材料使用场景需求来决定使用热处理或是热等压处理，进而进行表面处理，获得高致密性，高性能的成型件。温度为1600～2000摄氏度；工作压力50～200MPa,时间2-4小时。步骤三中，热处理中温度为1950摄氏度，200MPa,2小时。
表面处理中温度为1750摄氏度，200MPa,2小时。S101，采用激光熔融或电子束工艺将钽金属粉末加工成型；
本发明提供一种增材制造骨科钽金属。增材制造用钽金属粉末45-75um。
钽金属的杂质组成成分(ppm)
H N O C Fe Ni Cr Na K Ca Mg Si W
<10 <20 600 17 10 <3 <3 <3 <3 <3 <3 <3 300
下面结合具体实验数据对本发明作进一步描述。
图2是激光熔融后钽金属显微图，可见图中有大量分布斑点、块状的缺陷。
图3是钽金属增材制造后，热等压1750度，200MPa，2小时，图中斑点、块状缺陷明显被消除。
图4是钽金属增材制造后，热等压1950度，200MPa，2小时，图中斑点、块状缺陷基本被消除，此温度下材料比稍低处理温度(1750度)材料的延展性更高。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种增材制造骨科钽金属的制备方法，其特征在于，所述增材制造骨科钽金属的制备方法包括：
步骤一，采用激光熔融将钽金属粉末加工成型；
步骤二，对粉体性、激光熔化参数、设备稳定性、铺粉质量、打印精度和氧气含量的生产参数进行优化，其中激光功率100-1000W，氧气含量<100ppm，钽金属粉末45-75um；
步骤三，对成型后零件根据材料使用场景需求来决定使用热处理或热等静压处理，进而进行表面处理，获得高致密性，高性能的成型件；热等静压和热处理中温度均为1950摄氏度， 压力均为200MPa, 时间均为2小时，表面处理中温度为1750摄氏度，压力为200Mpa，时间为2小时。
2.一种增材制造骨科钽金属，其特征在于，所述增材制造骨科钽金属通过权利要求1所述增材制造骨科钽金属的制备方法制备。
3.一种利用权利要求2所述增材制造骨科钽金属制造的生物相容性良好的医用模具。
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