一种用于增材制造的镁合金粉末及其制备方法与应用技术

本发明专利技术公开了一种用于增材制造的镁合金粉末及其制备与应用。所述镁合金粉末是以Mg为主要成分，含有稀土元素RE，所述稀土元素RE为Y、La、Ce、Pr、Gd、Ho、Er、Lu中的至少一种，所述稀土元素RE所占的比重为0.1～7wt.％，所述镁合金粉末表面的含氧量低于5wt.％。本发明专利技术的镁合金粉纯净度高、含氧量低、球形度好、粒径均匀，可适用于多种3D打印方法，打印过程中合金元素蒸发少，产生的烟雾少，最终3D打印件致密、无缺陷，成分可控，且性能优异，可适用于多种临床场景。景。景。

【技术实现步骤摘要】
一种用于增材制造的镁合金粉末及其制备方法与应用


[0001]本专利技术属于金属增材制造的
，具体涉及一种用于增材制造的镁合金粉末及其制备方法与应用。

技术介绍

[0002]随着科技发展、医疗革新以及人类对疾病治疗的更高需求，以精准治疗为目的的个性化创新植入材料及器械产业进入高速发展阶段。开发这种多功能创新植入材料/器械需要选择合适的材料、设计和制造方法。镁及镁合金由于其机械性能与人体骨骼相匹配、在体液中的可降解性以及刺激组织生长的能力，目前被认为是最突出的可降解金属。增材制造AM(即3D打印)可巧妙利用计算机辅助设计，根据患者特定的解剖数据设计具有复杂结构的植入材料/器械，并在合理的尺寸精度范围内快速实现这些材料/器械的制造。因此，通过增材制造方法开发出理想的生物可降解镁基器械，用于精准治疗，是目前的研究趋势。
[0003]如专利(CN104762541B)公开了一种用于3D打印的稀土镁合金材料及其制备方法，是将Mg、Mn、RE混合并熔炼，然后雾化，得到稀土镁合金材料。但是，非保护气氛下的熔炼(需使用覆盖剂)可能带来金属基体中的氧化和夹杂(纯净度低)，这对医用植入体不利；其次，未控制雾化制粉环境中的氧含量及湿度，镁合金粉末比表面积大，极易吸潮、氧化，氧化后的粉末不利于后续3D打印，且对打印件性能有不利影响；此外，未考虑3D打印过程中，粉末中合金元素的蒸发损失(不同合金元素蒸发损失的不匹配)，可能导致最终3D打印件成分与初始合金粉末成分的差异过大，偏离预期设定，影响性能。
[0004]目前，在镁合金3D打印过程中，高能(激光、电子束等)作用于粉末，粉末熔化，微小熔体相互连接，冷却凝固并最终形成宏观3D打印件。然而，利用增材制造(3D打印)方法制备镁基植入物仍存在困难，集中体现在：(1)相比于其他金属的增材制造原料，用于镁合金3D打印的高质量镁粉来源较少，表面易氧化，性能稳定性较差；如果镁合金粉体表面含氧量较高或者含有氧化层，将严重影响粉体的熔化及铺展，影响熔体之间的相互连接，最终影响3D打印件性能。(2)增材制造过程中的高能处理易造成原材料过热、烧蚀、汽化和蒸发，由于汽化蒸发而造成的元素损失常导致最终打印件的成分及显微结构偏离预期，最终性能不达标；当含有多种合金元素时，不同合金元素的蒸发速率不同，甚至相差较大的时候，最终3D打印件的化学成分可能远远偏离初始粉末的成分。并且，显微组织对成分敏感的合金，由于合金元素的蒸发损失可能导致3D打印件结构偏离预期设定，整体可控性差。此外，对于用作植入材料/器械的镁合金3D打印件，还要求控制材料基体中的杂质含量，以期获得良好的在体降解行为。因此，研发高纯、表面氧含量低、3D打印过程中元素蒸发损失少的镁合金粉末对于获得高质量的医用镁合金3D打印产品显得至关重要。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的在于克服现有技术中存在的缺点，提供一种用于增材制造的镁合金粉末及其制备方法与应用，所述镁合金粉末在可控条件下制备，纯净度高、表面含氧量低、
球形度好、粒径均匀，粉体经激光处理熔化后流动性好，能够迅速铺展，合金元素蒸发少，产生的烟雾少，最终3D打印件致密、无缺陷，成分可控，且性能优异。
[0006]本专利技术的目的通过以下技术方案实现：
[0007]一种用于增材制造(3D打印)的镁合金粉末，以Mg为主要成分，含有稀土元素RE，所述稀土元素RE为Y、La、Ce、Pr、Gd、Ho、Er、Lu中的至少一种，所述稀土元素RE所占的比重为0.1～7wt.％。
[0008]所述镁合金粉末表面的含氧量低于5wt.％。
[0009]所述稀土元素RE优选La、Ce、Pr或Gd。
[0010]所述镁合金粉末中还含有0～0.5wt.％的合金元素Zr。
[0011]所述镁合金粉末中的杂质元素Fe、Cu、Ni、Co、Be和Al的含量均低于100ppm。
[0012]所述镁合金粉末是由无数细小的颗粒所构成，所述颗粒形状规则，呈球形或者类球形/近似球形，所述颗粒的平均粒径在1～300μm范围内，所述颗粒的长径比不大于2。
[0013]优选的，所述粉末中杂质元素(Fe、Cu、Ni、Co、Be和Al)的含量均低于50ppm，所述粉末的表面氧含量低于4wt.％，所述镁合金粉末中的颗粒平均粒径在10～150μm范围内，所述颗粒的长径比不大于1.5。
[0014]上述用于增材制造(3D打印)的镁合金粉末的制备方法，包括下述步骤：
[0015](1)采用高纯金属(Mg、RE、Zr)，或者高纯Mg
‑
RE、Mg
‑
Zr中间合金为原料，在惰性气体保护下，通过对金属原料进行熔炼、浇注，获得所需成分的高纯镁合金铸锭；
[0016](2)在惰性气体保护下，熔化所述镁合金铸锭，获得均匀熔体；然后在可控气氛下对熔体进行雾化制粉，细小的金属液滴经快速冷却后获得镁合金粉末，所述粉末再经筛分、装袋和真空封装后，获得用于3D打印的镁合金粉末产品。
[0017]步骤(1)中，所述惰性气体为Ar、或者CO2和SF6的混合气体。采用惰性气体保护下进行熔炼、浇注，可以减少元素损失、减少合金氧化和夹杂。优选采用钽坩埚进行熔炼、浇注，可以减少杂质引入，控制对腐蚀性能不利的Fe、Cu、Ni、Co、Be、Al等杂质元素含量，使其均低于100ppm。镁合金铸锭经成分检测合格，酸洗或者机械打磨去除铸锭表面脏污或氧化层后再进行熔化和雾化，以减少杂质的引入。
[0018]步骤(2)中，所述惰性气体为Ar、或者CO2和SF6的混合气体；所述可控气氛为惰性雾化气体即Ar气、He气或二者的混合气体。所述熔化的温度为700～850℃。
[0019]步骤(2)中，所述雾化过程中，高温(700～850℃)的熔体通过狭窄喷嘴喷出，与低温(0～20℃)的惰性雾化气体(Ar、He)相冲击，形成细小的金属液滴，金属液滴在未聚集前快速冷却和凝固，获得球形度好、粒径分布均匀、表面质量良好(无氧化/轻微氧化)且高度分散的镁合金粉末。在雾化之前，对雾化气体进行脱水/干燥处理和除氧处理，然后通入雾化仓内，保证熔体雾化时所处环境的氧含量和湿度均低于10ppm，以避免/减少粉末的氧化和腐蚀。粉末的筛分同样在惰性气体保护下进行，真空封装保证了镁合金粉末长时间储存不发生吸潮、氧化、团聚，因此粉末性能稳定，即开即用。
[0020]一种用于增材制造的镁合金粉末的应用，是将所述镁合金粉末作为增材制造用原料，采用选择性激光熔化技术(SLM)、选择性激光烧结技术(SLS)或者电子束熔融技术(EBM)，在惰性保护气氛(如氮气或氩气)下进行3D打印，获得3D打印镁合金件，作为个性化植入材料或器械。
[0021]一种用于增材制造的镁合金粉末的应用，还包括将所述的镁合金粉末作为增材制造的主要原料，并掺入另一种金属粉末、生物活性陶瓷粉末或可降解聚合物材料后，采用选择性激光熔化技术(SLM)、选择性激光烧结技术(SLS)、电子束熔融技术(EBM)或粘合剂喷射成形技术(B本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种用于增材制造的镁合金粉末，其特征在于：所述镁合金粉末是以Mg为主要成分，含有稀土元素RE，所述稀土元素RE为Y、La、Ce、Pr、Gd、Ho、Er、Lu中的至少一种，所述稀土元素RE所占的比重为0.1～7wt.％。2.根据权利要求1所述的用于增材制造的镁合金粉末，其特征在于：所述镁合金粉末表面的含氧量低于5wt.％。3.根据权利要求1或2所述的用于增材制造的镁合金粉末，其特征在于：所述镁合金粉末中还含有0～0.5wt.％的合金元素Zr。4.根据权利要求1或2所述的用于增材制造的镁合金粉末，其特征在于：所述镁合金粉末中的杂质元素Fe、Cu、Ni、Co、Be和Al的含量均低于100ppm。5.根据权利要求1或2所述的用于增材制造的镁合金粉末，其特征在于：所述镁合金粉末是由无数细小的颗粒所构成，所述颗粒形状规则，呈球形或者类球形/近似球形，所述颗粒的平均粒径为1～300μm范围内，所述颗粒的长径比不大于2。6.一种权利要求1～5中任一项所述的用于增材制造的镁合金粉末的制备方法，其特征在于包括下述步骤：(1)采用高纯金属Mg、RE、Zr，或者高纯Mg
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RE、Mg
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Zr中间合金为原料，在惰性气体保护下，通过对金属原料进行熔炼、浇注，获得所需成分的高纯镁合金铸锭；(2)在惰性气体保护下，熔化所述镁合金铸锭，获得均匀熔体；然后在可控气氛下对熔体进行雾化制粉，细小的金属液滴经快速冷却后获得镁合金粉末，...

【专利技术属性】
技术研发人员：郑玉峰，边东，张余，马立敏，楚晓，
申请(专利权)人：广东省人民医院，
类型：发明
国别省市：