论文总字数：44509字

摘 要

多孔钛材料结合了金属钛以及多孔材料两方面的优势，在具有金属钛强度高、质量轻、化学性质稳定等优点的情况下，又具备了多孔材料优良的渗透性、隔音好等的特点，被广泛应用于航空航天、生物医学等行业。增材制造技术是近年来发展起来的一种全新的材料制备技术，突破了传统制造工艺难以制造复杂多孔结构等方面的限制，为多孔钛材料的制备带来了更大的可能性。本文主要综述了激光辅助3D打印中的选区激光烧结（SLS）、选区激光熔化（SLM）和激光近净成形（LENS）技术在多孔钛领域的研究，对其工艺与原理进行了阐述，并介绍了近年来海内外研究者们在多孔钛领域的研究进展，同时说明了激光辅助3D打印过程中孔隙形成的机理以及制备过程中的工艺参数和单元结构的影响，最后讨论了激光辅助3D打印技术在多孔钛制备研究领域的挑战、机遇和展望。

关键词：多孔钛 选区激光烧结（SLS） 选区激光熔化（SLM） 激光近净成形（LENS） 工艺参数 单元结构

Abstract

Porous titanium combines the advantages of metal titanium and porous materials, like high strength, low weight, stable chemical properties of metallic titanium, and characteristics of porous materials such as sound insulation and good permeability. It is widely used in aerospace, biomedicine and other fields. Additive manufacturing technology is a new technology which is developed in recent years, it breaks the limitations of traditional manufacturing technology in complex porous structure and brings greater possibilities for the manufacturing of porous titanium. This paper mainly reviews the research of selective laser sintering (SLS), selective laser melting (SLM) and laser engineering net shaping (LENS) in the field of porous titanium, introduces their principles, procedures and advances in recent years from home and abroad. The mechanism of pore formation and the influence of process parameters and unit structure are illustrated. Finally, the challenges, opportunities and prospects are discussed.

Keywords: porous Ti, Selective Laser Sintering, Selective Laser Melting, Laser Engineered Net Shaping, process parameters, unit structure

目录

第一章 绪论 1

1.1 本课题研究背景 1

1.1.1 多孔金属 1

1.1.2 增材制造技术 1

1.1.3 多孔钛 2

1.1.4 多孔钛的传统制备方法 3

1.2 国内外研究现状 4

1.2.1 选区激光烧结技术 4

1.2.1.1 选区激光烧结技术发展与现状 4

1.2.1.2 选区激光烧结技术制备多孔钛 4

1.2.2 选区激光熔化技术 5

1.2.2.1 选区激光熔化技术发展与现状 5

1.2.2.2 选区激光熔化技术制备多孔钛 6

1.2.3 激光近净成形技术 7

1.2.3.1 激光近净成形技术发展与现状 7

1.2.3.2 激光近净成形技术制备多孔钛 7

1.3 本课题意义及内容 8

第二章 激光辅助3D打印技术分析 10

2.1 激光辅助3D打印技术工艺原理 10

2.1.1 选区激光烧结技术工艺原理 10

2.1.2 选区激光熔化技术工艺原理 11

2.1.3 激光近净成形技术工艺原理 11

2.2 激光辅助3D打印孔隙形成原理 12

2.2.1 打印轨迹未到达形成的孔隙 12

2.2.2 气体溶解形成的孔隙 13

2.2.3 激光扫描轨迹形成的孔隙 13

2.2.4 粉末堆积形成的孔隙 14

2.3 激光辅助3D打印多孔结构存在的缺陷 14

2.3.1 残余应力 15

2.3.2 球化现象 15

2.3.3 裂纹 16

2.3.4 翘曲变形 16

2.4 各项技术的特点及差异 17

2.5 本章小结 18

第三章 激光辅助3D打印多孔钛中结构与性能的关系 19

3.1 工艺参数 19

3.1.1 共性参数 19

3.1.1.1 层厚 19

3.1.1.2 温度 19

3.1.1.3 粉末 19

3.1.2 选区激光烧结技术 20

3.1.2.1 扫描参数 20

3.1.2.2 激光 20

3.1.3 选区激光熔化技术 20

3.1.3.1 激光 21

3.1.3.2 熔池及熔道 21

3.1.4 激光近净成形技术 22

3.1.4.1 激光 22

3.1.4.2 送粉速率 22

3.1.4.3 熔覆层 22

3.2 多孔钛单元结构对性能的影响 23

3.2.1 类金刚石结构、蜂窝状结构与支撑结构 23

3.2.2 四面体结构和八面体结构 26

3.2.3 体心立方结构及TPMS结构 29

3.3 本章小结 31

第四章 总结与展望 32

4.1 总结 32

4.2 展望 32

参考文献： 34

致谢 41

第一章 绪论

1.1 本课题研究背景

1.1.1 多孔金属

多孔金属的发展已历经了80多年，是一种金属中存在着大量孔隙的材料，经过多年的发展，目前已诞生了铝、铁、钛、镍、铜、镁以及合金等诸多体系。开孔和闭孔是多孔材料的两大类别，是根据材料中孔隙是否连通所划分的。开孔是指多孔材料中的孔隙大都相互联通，闭孔是指孔隙之间大都独立存在、各自封闭且互不相连。闭孔材料的优秀性能包括质量小，比强度大，刚度高，还具有减振、消音、电磁屏蔽等功能特性，而开孔材料在闭孔材料优秀特性的基础上，还具有良好的渗透性和通气性。

多孔金属材料的特点为密度低、比强度高、耐高温，以及微观结构可控，形状稳定，可加工性好等，可用于制造过滤器、消声器、吸能装置、减震装置、电磁屏蔽器等 ^[1] ，因此被广泛应用于航空航天、生物医学等领域。凭借其出色的力学性能和功能应用，以及广泛的应用范围，多孔金属材料受到了广大科研机构和研究者的青睐。随着多孔金属材料领域研究的不断深入，相继有多种工艺体系被开发。这些工艺方法可根据制备过程中金属相态的不同，分为气相法、液相法和金属沉积法三大类^[2]。

孔隙大小（孔径）、孔隙率、比表面积和孔隙形态是用来表征多孔金属结构特征的重要参数。多孔金属材料的孔隙率和孔隙形态取决于多种因素，如造孔剂的类型(如氯化钠、聚甲基丙烯酸甲酯、镁)、体积百分比、尺寸和形状以及烧结过程。孔隙率和孔隙形貌是多孔金属材料结构和力学性能的重要影响因素^[3-6]。开孔孔隙作为多孔材料最终结构的典型代表，主要是通过烧除造孔剂或去除可浸出的预成型体而得到。根据这一思路，通过在热处理前加入预制得的颗粒团(如氧化铝泡沫颗粒)，然后在烧结金属多孔材料中得到由颗粒团形成的封闭孔隙，从而制备出具有封闭孔隙的多孔材料^[7]。孔隙大小的定义对大多数重要材料的实际应用都是适用的，但精确表示却有一定的困难^[6]。根据多孔材料的基本结构元素，可将其分为四种类型：rgt;1000 nm为大孔，100 nm lt;rlt;1000 nm为微孔，rlt;100 nm为亚微孔，以及在结构元素中发现的rlt;1/2 nm的超微孔^[8-9]。

1.1.2 增材制造技术

增材制造（Additive manufacturing，AM），俗称3D打印技术，主要是通过分层制造、逐层累积的方式来实现将原材料（金属、无机非金属和生物材料等）制造成预先设计的实体样品的材料制备技术。自上世纪80年代提出以后，经过近四十年的发展，目前已广泛应用于航空航天、生物医学、电子产品、汽车、文物保护等各个领域的材料制备。增材制造技术，突破了传统材料制备工艺的诸多限制，与以往的传统制造工艺相比，具有从样品的预先设计到生产过程已至最终成品整个流程的巨大优势，首先可以从一开始就确定想要获得的样品形状及细节，其次整个生产过程相较传统工艺只需要较少的步骤，使传统制备方法的生产工艺得到简化，使大批量生产的效率得到提高，最后获得的成品的很多方面可以根据工艺参数来进行调整改变，获得的样品与预期之间的差距也更小，因此常常用于制造具有复杂结构与高精度要求的材料。

在任何增材制造的过程中，首先都要使用计算机对所要制备零件的结构进行设计。随后，三维CAD文件的具体信息会被导出到一个扩展名为.STL的文件中。STL文件是制造部件所需的主要输入文件。表面文件在计算机虚拟环境中被分割成许多二维(2D)层。然后，增材制造设备使用设计文件被划分的2D层，并沿着X和Y方向创建必要的工具路径，以便直接进行制造。最后，依次处理划分的每一层，结合起来形成三维实体^[10]。由于每个部件都是通过在前一层的基础上添加层来制造的，所以这种制造方法被称为“增材制造”。因此，大多数相关的增材制造技术都是使用粉末或金属丝作为原料，通过聚焦热源有选择性地熔化，并在随后的冷却中凝结，形成部件^[11，12]。

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