一种钽-金刚石网状结构复合材料及其增材制造方法与流程

本申请实施例涉及增材制造，尤其涉及一种钽-金刚石网状结构复合材料及其增材制造方法。

背景技术：

1、金属钽由于具有生物相容性好、耐腐蚀性能优异及富有延展性等特点，而广泛应用于生物医疗领域，被称为“亲生物”金属。随着我国骨科植入物行业市场规模的快速增长，金属钽植入物市场需求日益增长。在“精准医疗”的背景下，临床上对骨科植入物提出了定制化的需求，三维打印（three dimensional printing，3d打印）金属钽植入物也成为医学界和工程界竞相发展的骨植入产品。其中，3d打印又称增材制造。

2、相比于钛合金，金属钽的密度和模量虽然较大，但是力学性能较低，这在一定程度上限制了其在临床上的应用范围，导致多孔结构或者多孔实体复合结构只能在骨缺损领域使用。而金刚石具有硬度高、耐磨性好、抗菌性能优异和生物相容性高等特点，在生物医疗领域，常采用化学气相沉积的方法在金属植入体表面镀金刚石膜，以提升植入物的生物相容性、抑菌特性和耐磨性。但是由于金属植入物表面镀金刚石膜的化学气相沉积法工艺复杂且成本较高，制约了其在临床上的发展。

3、相关技术中，目前暂无医用钽-金刚石复合材料的相关报道。且对于金属基金刚石复合材料的制备方法而言，在相关技术中均是先对金刚石进行表面处理，在其表面镀一层金属膜后进行激光3d打印。例如：申请号为cn202010784749.5的一种增材制造工艺制备金刚石铜基复合材料的方法，公开了先在金刚石粉末表面镀复合镀覆层，其中外镀覆层为纯铜，内镀覆层为碳化物或者金属单质，再将镀覆后的粉末与铜粉混合，经激光3d打印技术一体成形，随后再进行烧结、热等静压得到金刚石铜基复合材料。再如：申请号为cn201910538934.3的一种基于激光增材制造高熵合金-金刚石复合材料的制备方法，公开了首先得到高熵合金胎体粉末，并将其与表面改性的金刚石单晶颗粒进行混合，然后再进行激光3d打印技术成形。其中，金刚石单晶颗粒通过表面改性，镀上了ti/ni复合膜层。

4、上述相关技术中，由于金刚石颗粒的可加工性能较差，无法对其进行直接加工或3d打印成形，不能满足定制化植入物快速生产的需求。在制备金属-金刚石复合材料时，由于金刚石颗粒的可加工性能较差，前期均需对金刚石颗粒进行表面处理，并进行镀膜，造成工艺流程复杂、加工成本高、产能低。此外，由于金属及金刚石颗粒对激光反射率较高，使得金属-复合材料的致密度无法保证，还需进行热等静压等手段消除缺陷。且由于较低的能量利用率以及较小的功率，激光3d打印技术无法对粉床进行预热，再加上金属在成形过程中冷却速度较快，使得熔融金属无法完全包裹住金刚石颗粒，影响成形件的致密度。

5、因此，有必要改善上述相关技术方案中存在的一个或者多个问题。

6、需要说明的是，在上述背景技术部分公开的信息仅用于加强对本申请的背景的理解，因此可以包括不构成对本领域普通技术人员已知的现有技术的信息。

技术实现思路

1、本申请实施例的目的在于提供一种钽-金刚石网状结构复合材料及其增材制造方法，进而至少在一定程度上克服由于相关技术的限制和缺陷而导致的一个或者多个问题。

2、根据本申请实施例的第一方面，提供一种钽-金刚石网状结构复合材料，包括：

3、钽基体及金刚石粉末，所述金刚石粉末均匀分布在所述钽基体中，且所述金刚石粉末在所述钽基体中的分布呈网状结构；其中，所述金刚石粉末的体积占比为10%~40%，其余为所述钽基体；

4、所述网状结构包括若干网格单元，每个所述网格单元由任意相邻的两颗所述金刚石粉末形成。

5、本申请的一实施例中，任意相邻的两颗所述金刚石粉末之间的距离为45~105μm。

6、根据本申请实施例的第二方面，提供一种钽-金刚石网状结构复合材料的增材制造方法，包括：

7、将钽粉和金刚石粉末按照预设体积比进行球磨混合，得到球磨后的复合粉末，所述复合粉末中所述金刚石粉末镶嵌在所述钽粉的表面；

8、将所述复合粉末进行电子束选区熔化成形，以得到钽-金刚石网状结构复合材料，包括：

9、对基板进行预热；

10、并将所述复合粉末铺设到预热后的所述基板上，以进行铺粉；

11、根据粉末预热工艺参数对所述基板上的所述复合粉末进行粉末预热；

12、根据熔化工艺参数对预热后的所述复合粉末进行选区熔化；

13、根据粉床预热工艺参数对选区熔化后的粉床进行粉床预热；

14、重复上述铺粉、粉末预热、选区熔化和粉床预热步骤，直至得到钽-金刚石网状结构复合材料。

15、本申请的一实施例中，所述钽粉的粒度为45~105μm，所述金刚石粉末的粒度为1~10μm。

16、本申请的一实施例中，所述钽粉和所述金刚石粉末的预设体积比为3:2~9:1。

17、本申请的一实施例中，球磨混合时的球料比为2:1~4:1。

18、本申请的一实施例中，所述粉末预热工艺参数包括第一扫描电流和第一扫描速度，所述第一扫描电流为25~35ma，所述第一扫描速度为10~15 m/s。

19、本申请的一实施例中，所述熔化工艺参数包括第二扫描电流和第二扫描速度，所述第二扫描电流为5~15 ma，所述第二扫描速度为0.1~0.5 m/s。

20、本申请的一实施例中，所述粉床预热工艺参数和所述粉末预热工艺参数相同。

21、本申请的一实施例中，球磨混合时的混合时间为4~6h，转速为60~100r/min。

22、本申请的实施例提供的技术方案可以包括以下有益效果：

23、本申请的实施例中，通过上述复合材料，该复合材料中的金刚石粉末形成了大小合适的网格结构，该网格结构不仅可以阻碍钽基体的位错运动，提升该复合材料的强度，还可以保持网格结构内的钽基体的变形能力，从而使该复合材料能够获得良好的塑性。而且由于加入了金刚石粉末，使得该复合材料的重量相对于纯钽植入物大幅降低。

技术特征：

1.一种钽-金刚石网状结构复合材料，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述钽-金刚石网状结构复合材料，其特征在于，任意相邻的两颗所述金刚石粉末之间的距离为45~105μm。

3.一种钽-金刚石网状结构复合材料的增材制造方法，其特征在于，包括：

4.根据权利要求3所述钽-金刚石网状结构复合材料的增材制造方法，其特征在于，所述钽粉的粒度为45~105μm，所述金刚石粉末的粒度为1~10μm。

5.根据权利要求3所述钽-金刚石网状结构复合材料的增材制造方法，其特征在于，所述钽粉和所述金刚石粉末的预设体积比为3:2~9:1。

6.根据权利要求3所述钽-金刚石网状结构复合材料的增材制造方法，其特征在于，球磨混合时的球料比为2:1~4:1。

7.根据权利要求3所述钽-金刚石网状结构复合材料的增材制造方法，其特征在于，所述粉末预热工艺参数包括第一扫描电流和第一扫描速度，所述第一扫描电流为25~35ma，所述第一扫描速度为10~15 m/s。

8.根据权利要求3所述钽-金刚石网状结构复合材料的增材制造方法，其特征在于，所述熔化工艺参数包括第二扫描电流和第二扫描速度，所述第二扫描电流为5~15 ma，所述第二扫描速度为0.1~0.5 m/s。

9.根据权利要求3所述钽-金刚石网状结构复合材料的增材制造方法，其特征在于，所述粉床预热工艺参数和所述粉末预热工艺参数相同。

10.根据权利要求3所述钽-金刚石网状结构复合材料的增材制造方法，其特征在于，球磨混合时的混合时间为4~6h，转速为60~100r/min。

技术总结本申请实施例是关于一种钽‑金刚石网状结构复合材料及其增材制造方法。该复合材料包括：钽基体及金刚石粉末，金刚石粉末均匀分布在钽基体中，且金刚石粉末在钽基体中的分布呈网状结构；其中，金刚石粉末的体积占比为10%~40%，其余为钽基体；网状结构包括若干网格单元，每个网格单元由任意相邻的两颗金刚石粉末形成。本申请复合材料中的金刚石粉末形成了大小合适的网格结构，该网格结构不仅可以阻碍钽基体的位错运动，提升该复合材料的强度，还可以保持网格结构内的钽基体的变形能力，从而使该复合材料能够获得良好的塑性。而且由于加入了金刚石粉末，使得该复合材料的重量相对于纯钽植入物大幅降低。技术研发人员：郭瑜,向长淑,李会霞,张怡欣,赵培,贺卫卫受保护的技术使用者：西安赛隆增材技术股份有限公司技术研发日：技术公布日：2024/6/11