大块金属植入物材料中的应力屏蔽是由高刚性植入物和低刚性骨之间的刚度不匹配造成的。由于应力屏蔽导致的骨吸收问题，植入物松动可能直接或间接发生，需要进行翻修手术。因此，许多研究人员做出了大量努力来提高材料的强度和韧性，主要目标是制造一种可以在人体内长时间运行，无需翻修手术的植入物。由于上述问题，已经开发了多孔医用钛合金，这显著降低了大块钛合金的弹性模量。近年来，选区激光熔化（SLM）技术为特定患者创建具有多孔结构的复合支架。由SLM制备的钛基多孔支架因其重量轻、强度高、弹性模量低、耐腐蚀性好、生物相容性好等优点，成为骨植入物中最有前途的应用材料。
钛合金通常应用于人体髋关节，当人们在行走时，髋关节和膝关节将会承受循环载荷。因此，有必要提高应用于人体内钛合金植入物的机械性能，特别是疲劳性能。疲劳机制导致钛合金髋关节假体近90%的表面断裂。除了振荡的机械负荷外，植入物材料还暴露于生理液体中，生理液体由盐水溶液组成，因此金属植入物会因腐蚀疲劳而失效。
虽然已经对降低固体钛合金疲劳寿命的腐蚀进行了广泛的研究，但迄今为止很少有关于多孔结构钛合金植入物的研究报道。铜是金属中普遍存在的合金元素，也是人类健康所必需的微量元素。在钛合金中添加一定量的铜元素，可以赋予钛合金抗菌性。目前，关于SLM制备的多孔Ti6Al4V-6Cu支架的疲劳行为的信息还非常有限，无法确定其临床适用性。
近日，沈阳理工大学材料科学与工程学院联合中国医科大学口腔医学院、中国科学院福建物质结构研究所和中国科学院金属研究所等研究人员，研究了激光选区熔化（SLM）制备多孔含铜（Cu）的钛合金（Ti6Al4V）在空气和0.9wt%NaCl溶液中的腐蚀疲劳行为，基于疲劳循环变化确定了疲劳裂纹起始点在循环应变曲线上的位置。表明裂纹在高应力和0.9wt%NaCl溶液状态下加速扩展，主要为晶间断裂。Ti2Cu相在晶界附近沉淀析出使得多孔Ti6Al4V-6Cu样品具有更高的疲劳强度和更长的疲劳使用寿命。
原文链接：https://doi.org/10.1016/j.jmrt.2023.01.119
因此这项研究从裂纹萌生和扩展的角度研究了SLM制备多孔Ti6Al4V-6Cu合金的疲劳性能以及在0.9wt%NaCl溶液中的腐蚀疲劳行为。同时将其与多孔Ti6Al4V合金进行了比较。利用商用的Ti6Al4V粉末和纯铜粉末为原料，在德国CONCEPT Laser GmbH增材制造机器上成形样品，样品为直径20-40 mm的Ti6Al4V-6Cu。在SLM打印之前，通过球磨将粉末彻底混合2小时。然后将所得混合物在80℃的烘箱中干燥保持12小时。使用相同的方法在不添加Cu粉末的情况下制备多孔Ti6Al4V样品。
（A）SLM制备的多孔样品的宏观照片；（B） 和（C）多孔材料的支柱形态；（D） Ti6Al4V支柱的化学成分；（E）Ti6Al4V-6Cu支柱的化学成分；（F） SLM制备Ti6Al4V-6Cu和Ti6Al4V样品的XRD
使用SLM制备样品的微观结构：（A）Ti6Al4V-6Cu；（B）Ti6Al4V
Ti6Al4V-6Cu和Ti6Al4V多孔结构样品的静态压缩应力-应变曲线
Ti6Al4V-6Cu和Ti6Al4V多孔结构样品机械性能
Ti6Al4V-6Cu试样在空气和0.9wt%NaCl中的疲劳应变
疲劳断裂面的SEM：（A） 疲劳试验后多孔结构试样俯视图，显示了支柱节点处的二次开裂（黄色箭头）；（B）由缺陷引起的二次开裂，以及（C）无缺陷的二次裂纹；（D） 内部孔隙放大图
显微CT图像Ti6Al4V-6Cu（A）在空气中和（B）在0.9wt%NaCl中的疲劳裂纹轨迹
Ti6Al4V在疲劳循环条件下的疲劳应变：（A）空气环境；（B）0.9wt%NaCl环境中
研究结果表明加入Cu后，Ti6Al4V-6Cu的静态压缩性能优于纯的Ti6Al4V合金样品，特别是抗压强度，约为Ti6Al4V合金的1.43倍。疲劳裂纹萌生点在应变曲线上的位置由疲劳循环决定，在高应力状态下裂纹萌生更快。在含有0.9wt%NaCl的环境中，Ti6Al4V-6Cu主要失效机制为晶间断裂和部分穿晶断裂模式，这种断裂模式归因于腐蚀疲劳。并且含有0.9 wt%NaCl的环境加速了裂纹扩展。由于锯齿形疲劳裂纹扩展的影响和Ti2Cu相沉淀在晶界附近，多孔Ti6Al4V-6Cu样品比Ti6Al4V合金样品具有更长的疲劳使用寿命。
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