暨南大学3D打印制备出高性能纯Zn，为未来医学个性化发展注入新动能

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锌（Zn）是人体内重要的微量元素，锌合金具有合适的降解速率和良好的生物相容性。此外，锌还具有成骨和抗菌性。因此，锌基材料被认为是一种很有前途的可生物降解骨科植入材料。研究人员已经将Zn制备的植入物成功应用到动物体内，并在各个时间点均未发现严重炎症、血小板聚集、血栓形成或明显的内膜增生等不良反应，显示出良好的生物相容性。目前这些植入物主要是通过挤压、轧制、锻造等方法控制微观组织，提高纯锌的力学性能，从而开发出力学性能优良的可降解锌合金。然而，传统制造技术不能加工出各种复杂几何形状的植入物零件，不能适应未来医学个性化的发展。

目前，选区激光熔化（SLM）被广泛应用于骨科多孔支架的制备。然而，纯锌的熔点和沸点很低(419.5 ℃和907 ℃)，在SLM过程中容易导致液相的挥发，形成大量飞溅和烟雾，这会恶化零件的成型质量。并且目前对高致密度SLM纯锌的微观组织结构与力学性能研究较少。由于缺乏深入的研究，显微组织的形成机理及其对力学性能的影响尚不清楚。与传统加工工艺相比，SLM制备的样品具有不同的微观组织特征。

近期，增材制造技术前沿注意到，暨南大学先进耐磨蚀及功能材料研究院研究人员，利用选区激光熔化(SLM)制备了纯锌材料。主要对SLM纯锌工艺参数进行了优化，阐明了SLM纯锌微观组织的形成机理和工艺参数优化过程中微观组织的演化规律。最后，探讨了工艺参数和显微组织对其力学性能的影响。结果表明，随着激光能量密度的增加，SLM制备纯锌的强度和延展性都有所提高。最后探讨了SLM制备纯锌的微观组织形成机理与演化规律，结果表明SLM制备的纯锌显微组织为等轴晶粒和层状晶粒组织。等轴晶粒的形成是由于SLM制备纯锌的温度梯度低、扫描速度快。

原文链接：https://doi.org/10.1016/j.msea.2022.143276

粉末形貌(a)和粉末粒度(b)

SLM制备纯锌工艺参数

(a) SLM纯锌的相对密度与能量密度的关系；(b) SLM纯锌的硬度与Ev的关系

不同能量密度下样品表面形貌:(a)、(b)、(c)分别代表含有三种不同缺陷的样品。红色箭头处为未熔化的粉末，绿色箭头处为熔合不良而形成的不规则缺陷，蓝色箭头为熔池中液相挥发造成的圆形孔

(a)铸造态纯锌显微组织；(b)不同参数下SLM纯锌的显微组织；(c)晶粒尺寸与能量密度的关系；(d)不同能量密度样品的氧化物体积分数

(a)-(c) SLM纯锌显微组织；(d)-(e)对应的高倍扫描电镜；(f)铸造态纯锌

ZnO的透射电镜照片：(a) Zn和氧元素的表面分布；(b)基体和ZnO的EDS；(c) ZnO的HRTEM和SAED图像

(a)应力-应变曲线；(b)拉伸性能柱状图；(c)加工硬化；(d)文献报道的SLM纯Zn的拉伸性能

SLM纯锌和铸态纯锌的断口形貌：(a) 158.73 J/mm3；(b) 142.85 J/mm3；(c) 59.52 J/mm3；(d) 35.71 J/mm3；(e)铸态纯锌

研究结果表明，样品相对密度较低的原因是高能量密度使得纯锌的液相挥发，形成许多规则的圆形孔隙。SLM制备的纯锌显微组织为等轴晶和层状组织，部分氧化物位于晶界处，晶粒尺寸8~10 μm。等轴晶的形成主要是由于打印过程中温度梯度较低以及氧化物对晶界的阻碍作用。优化工艺参数后的SLM纯锌平均硬度、屈服强度、极限抗拉强度和延伸率分别为39.03 HV、84.29 MPa、95.93 MPa和11.73%，力学性能优于铸态纯锌。

总的来说，这项研究主要阐明了选区激光熔化纯锌的微观组织形成机制和演化规律，为SLM纯锌在医用植入物中的应用提供相关理论依据。

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