康奈尔大学领导的一个合作项目开发了一种3D打印技术，通过超音速粉碎粉末粒子来制造多孔金属材料。
这种形式的技术被称为“冷喷涂”，其结果是在机械上坚固，多孔结构比用传统制造工艺制造的类似材料强度高出40%。这种结构的小尺寸和孔隙度使得它们特别适合建造生物医学组件，比如置换关节。万博平台盘口
该团队的论文“通过超音速冲击固态增材制造多孔Ti-6Al-4V”，发表在2020年11月9日的《今日应用材料》上。
这篇论文的主要作者是Atieh Moridi，康奈尔大学机械与航空航天工程学院的助理教授。
Moridi说:“我们专注于制造细胞结构，它在热管理、能量吸收和生物医学方面有很多应用。”“我们现在使用塑性变形将这些粉末颗粒结合在一起，而不是仅仅使用热作为输入或驱动力。”
Moridi的研究小组专注于通过增材制造工艺创造高性能金属材料。然而，增材制造也不是没有自己的挑战。其中最重要的是:金属材料需要在超过其熔点的高温下加热，这可能导致残余应力积累、变形和不必要的相变。
为了消除这些问题，Moridi和合作者开发了一种方法，使用压缩气体喷嘴向基底喷射钛合金颗粒。
莫里迪说:“这就像绘画，但在3D中建立的东西要多得多。”
这些粒子的直径在45到106微米之间(一微米是一米的百万分之一)，速度大约为每秒600米，比音速还快。为了更好地理解这一点，另一种主流的添加剂工艺，直接能量沉积，通过喷嘴以每秒10米的速度输送粉末，使Moridi的方法快了60倍。
粒子并不是尽可能快地抛出。研究人员必须仔细校准钛合金的理想速度。通常在冷喷印中，粒子会在其临界速度(它能形成致密固体的速度)和侵蚀速度之间的最佳点加速，当它碎得太多而不能粘在任何东西上时。
相反，Moridi的团队使用计算流体动力学来确定一个速度刚好低于钛合金粒子的临界速度。当以这种稍微慢一点的速度发射时，粒子产生了一个更多孔的结构，这是理想的生物医学应用，如膝关节或髋关节的人工关节，以及颅/面部植入。
莫里迪说:“如果我们用这种多孔结构制作植入物，并将其植入体内，骨头就能在这些孔隙中生长，并形成生物固定。”“这有助于降低植入物松动的可能性。这是一件大事。因为假体松了，会造成很大的疼痛，病人不得不做很多修复手术来移除假体。”
虽然这个过程在技术上被称为冷喷，但它确实涉及一些热处理。一旦粒子碰撞并粘合在一起，研究人员就加热金属，这样这些成分就会扩散到彼此身上，并像均匀的材料一样沉淀下来。
Moridi说:“我们只专注于钛合金和生物医学应用，但这种工艺的适用性可能不止于此。”“基本上，任何能够承受塑性变形的金属材料都可以从这一过程中受益。它还为建筑、交通和能源等更大规模的工业应用开辟了许多机会。”
合著者包括博士生Akane Wakai以及来自麻省理工学院、米兰理工大学、伍斯特理工学院、伦敦布鲁内尔大学和赫尔穆特施密特大学的研究人员。
来源:康奈尔大学纪事报
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