消除激光增材超过1倍的显著各向异性，定制均质强韧钴铬钼全膝假体

作者：余家阔（通讯作者）宋长辉（通讯作者）
来源：Materials Futures

近年来，增材制造（AM）技术在个性化医疗植入物的临床应用中取得了显著进展。华南理工大学与清华长庚医院的研究团队联合提出一种优化的热处理方法，成功改善激光粉末床熔融（LPBF）CoCrMo合金的各向异性。这项研究依托纳通生物研发的全球首例获创新医疗器械注册的激光增材制造全膝关节假体，结合固溶与退火的热处理工艺，有效提升合金的各向同性。该方法降低潜在薄弱区域的失效风险，从而增强力学性能的一致性。此研究不仅深化对增材制造生物医用合金在微观结构-性能关系的理解，还为未来骨科植入物制造建立了质量控制框架。

文章亮点
固溶退火组合热处理工艺平衡超过1倍的增材制造各向异性。
固溶诱导再结晶细化粗大柱状晶为可容纳取向应力的等轴晶粒。
低温退火中退火孪晶和马氏体板条协同作用实现匀质化和强韧化。

研究背景
CoCrMo合金因其优异的力学性能、耐腐蚀性和耐磨性，广泛应用于医疗植入物如牙冠、髋关节及膝关节假体。然而在临床实践中，由于患者个体差异及疾病特征的不同，传统的标准化植入物无法满足患者的个性化需求。激光粉末床熔融（LPBF）技术凭借其制造复杂结构和高效定制的优势，在医疗领域展现出巨大潜力。但在LPBF过程中，由于逐层制造和极高的冷却速率（约10⁵–10⁶ K/s），导致产品呈现显著的各向异性。尽管已有大量研究针对LPBF-CoCrMo合金展开，但多数工作仅聚焦于单一方向的力学性能，未充分考虑各向异性对整体性能的影响。拉伸方向对塑性变形行为具有重要影响，这种力学性能的不均衡可能导致医疗器械薄弱部位的早期失效。因此，实现各向同性对于提高医疗植入物的耐久性与稳定性至关重要，这一问题亟待深入研究与解决。

本文要点

增材制造钴铬钼合金各向异性
LPBF的高热梯度及熔化-凝固循环促进了<001>取向柱状晶的优先生长，并沿成型方向进一步延伸。拉伸方向对CoCrMo合金的塑性变形行为具有显著影响，其中，平行于成型方向的延伸率为19.1%，而垂直方向仅为9.3%，二者相差超过100%。打印态（AP）合金的各向异性主要由晶粒形态主导，柱状晶沿长轴与短轴的位错滑移能力存在显著差异，其高纵横比特性影响拉伸加载过程中的应力分布。TDX的位错主要沿晶粒短轴运动，紧密排列的晶界对位错迁移形成强阻碍，导致位错高度集中并发生剧烈的相互作用，从而限制塑性变形能力并降低伸长率。相反，TDZ的位错主要沿晶粒长轴滑移，滑移阻力降低，有利于塑性变形。然而，位错扎钉效应的减弱同时降低材料的屈服强度。

图1 (a,b)气雾化 CoCrMo 合金粉末的形态；(c)粒度分布；(d) LPBF加工示意图；(e)拉伸件的摆放示意图和尺寸。

图2 柱状晶生长及其在拉伸应力下的变形示意图。(a)熔池和热影响区的温度梯度；(b)垂直于熔池边界的柱状晶粒的成核和生长；(c)在XOY和YOZ面上观察到的柱状晶粒的形态特征；(d)柱状晶取向对拉伸性能的影响。

固溶处理初步达成各向同性

1150 ℃/1 h的固溶处理激发再结晶，使得粗大的柱状晶细化为等轴晶粒，缓解与晶粒取向相关的应力，初步实现微观结构和力学性能的均匀化。SHT未表现出明显的择优取向，且<001> 织构强度显著降低。CoCrMo合金在加热至再结晶温度后，新晶粒在原始晶粒内部形核并促使晶界迁移，使晶粒生长不受特定热流方向的影响。然而，此阶段的屈服强度明显下降，这归因于蜂窝状结构和马氏体的消失。位错及其他微观缺陷的有效消除，降低裂纹萌生的概率，并提高TDX的延展性。然而，相较于AP-TDZ，SHT-TDZ的伸长率降低4%，这主要源于再结晶消除沿柱状晶长轴取向的拉伸应力对齐效应。尽管热处理后形成了大量退火孪晶，但其增韧效应不足以完全弥补 AP-TDZ中柱状晶对材料韧性的贡献。

图3 对应YOZ和XOY平面的EBSD-IPF 图。(a、d)AP 样品；(b、e)SHT 样品；(c、f)SAHT 样品。

图4 (a)微观组织演变示意图；(b) AP-XOY面熔道轨迹和AP-YOZ面柱状晶的IPF图；(c)再结晶形成等轴晶粒，消除取向效应。

低温退火实现匀质化和强韧化
随后450 ℃/0.5 h 退火处理进一步引起拉伸强度和延展性趋于平衡，分别达到906.1 MPa，20.2%（平行方向）和879.2 MPa，17.9%（垂直方向）。马氏体板条互锁形成网状结构，障碍位错运动并在平行板条内积累。SAHT的强度提升归因于纳米马氏体，但由于热处理消除了大部分内部缺陷，强度增幅有限。与FCC基体的规则原子排列相比，孪晶界的原子结构偏离均匀性。孪晶界的不稳定区域改变局部应力分布，附近的板条并非完全连续，有轻微的角度偏移。马氏体板条通常阻碍位错滑移，但错位现象为被困位错提供额外滑移路径，缓解局部塑性变形。在再结晶晶粒中，随机分布的退火孪晶在变形过程中有助于适应取向相关应力。因此，SAHT表现出最小的延伸率差异。

图5 纳米级马氏体板条的相互作用。(a) FCC基体内的大量板条；(b, e)相交区域形成了位错捕获网；(c, f)平行板条内的位错纠缠和堆积层错；(d)马氏体板条分布于再结晶晶界两侧。

图6 退火孪晶的轨迹分析。(a)带有退火孪晶的 IPF图；(b)取向差曲线。退火孪晶的TEM图。(c)分布在退火孪晶中的马氏体板条；明场(d)和暗场(e)显示退火孪晶与马氏体板条之间的相互作用；(f)孪晶界的HR-TEM图；(g, h) 黄色和蓝色框的IFFT分析。

总结与未来展望
这项研究揭示了 LPBF-CoCrMo 合金在微观结构和力学性能上的各向异性行为，并验证了热处理消除各向异性的有效性，同时阐明了其潜在机制。然而，该方法不可避免地导致材料强度的降低。表面改性等后处理方法仍值得深入研究，以改善热处理后植入物的耐磨性和生物相容性，并力求达到或超越打印态CoCrMo合金的水平。鉴于医疗植入物在人体内承受复杂的循环载荷，其长期成功依赖于优异的抗疲劳性能。喷丸处理作为一种表面改性技术，在提高疲劳性能方面展现出潜在优势，未来可进一步探索激光喷丸和超声波喷丸等先进技术。聚焦于这些关键研究方向，在确保各向同性的前提下，将有助于提升增材制造个性化植入物的综合性能，推动其在临床应用中的发展。

本研究得到国家重点研发计划（2023YFB4606700）、国家自然科学基金（52475350）、中央高校基本科研业务费（2024ZYGXZR023）、广东省基础与应用基础研究基金（2022B1515120066）的资助。

作者简介

余家阔（通讯作者），清华大学长聘教授，博导，博士后合作教授，国务院政府特殊津贴，北京市优秀科技工作者，中央保健会诊专家。任清华大学附属北京清华长庚医院骨科运动医学中心主任，膝关节外科主任，清华医学骨科与运动医学研究所所长。担任国家重点研发计划首席科学家，国家自然科学基金仪器专项、重点项目、重点国际合作项目和区域联合重点项目牵头人。在Science Translational Medicine、 Advanced Materials、Advanced Science、Advanced Functional Materials、Bioactive Materials等期刊发表论文211篇。获授权专利80项，主编副主编专著13本，获省部级一到三等科技成果奖8项。成果转化产品获8张医疗器械注册证（6张三类2张二类），2个产品获创新医疗器械注册证。

宋长辉（通讯作者），华南理工大学机械与汽车工程学院教授，博士生导师，广东省增材制造协会副会长，广东省特支人才。长期围绕“激光增材制造装备—多尺度形性调控—功能结构件设计与应用”开展工作。主持国家级项目7项，省部级项目8项。在International Journal of Machine Tools and Manufacture、International Journal of Extreme Manufacturing等期刊一作/通讯作者发表SCI论文60余篇，连续三年入选全球前2%顶尖科学家“年度影响力”榜单（2022-2024）， 2024年度中国知网“高被引学者”Top 1%（机械工程领域）。授权专利100余项，主编/副主编编写专著4本。获中国专利奖、广东省科技进步二等奖、北京市技术发明二等奖等国家省部级奖励5项。