医用3D打印钛金属粉末的直接电化学制备及性能研究

The project focuses on the preparation of powder of titanium and its alloy, which is suitable for medical 3D-printing in purity and morphology, from vanadium-titanium ore through process of “selective reduction - molten salt electrolysis - physical shaping”, and the synthesis and characterization of medical component through 3D-printing of corresponding powder. The research meets the needs of novel material with high-performance and biological compatibility for medical industry, promoting the development of application of additive manufacturing (3D-printing) technique in medical field.

拟开展的研究工作面向医疗行业对生物兼容高性能新材料的需求，以钒钛磁铁矿为原料，采用选择性碳热还原-熔盐电解制备金属钛粉-物理整形的工艺技术路线，制备出形貌及纯度符合医用3D打印要求的钛及钛合金粉末，最后采用3D打印技术制备出合格的医疗零件并检测其性能。预期的研究成果对推动3D打印增材制造在医用领域的发展有重要意义。

3D打印医用钛金属具有高强度、低弹性模量、生物活性高、生物相容性好等综合性能优良而备受关注，然而3D打印所需原材料球形钛金属粉末由于价格高昂，而限制了其应用。本项目面向医疗行业对生物兼容高性能新材料的需求，从钒钛磁铁矿出发，采用选择性碳热还原-熔盐电解制备金属钛粉-物理整形的工艺技术路线，制备出形貌及纯度符合医用3D打印要求的钛及钛合金粉末，最后采用3D打印技术制备出合格的医疗零件并检测优化其性能。主要结论如下：（1）以钛铁复合矿物为原料，控制配碳量为1.3和温度高于1400℃，成功制备出Fe-(TiCxOy)-MOx复合物；该复合物经熔分-过滤或酸浸提纯，可获得纯度大于95%的TiCxOy原料。（2）以TiCxOy为阳极，经熔盐电解可在阴极获得金属钛；TiCxOy中的C/O比对钛离子价态无影响，但对阳极气体组成有显著影响，C/O≥1时阳极气体为CO，C/O<1时为CO和CO2混合物。（3）钛离子的阴极电结晶过程符合三维瞬时成核模型，通过调控钛离子浓度、阴极电流密度等参数，可实现对金属钛粉的可控沉积。（4）通过等离子球化可对电解钛粉进行物理整形，调节载气流量、球化温度等参数，可获得满足激光3D打印技术要求的球形钛金属粉末：钛粉平均粒径48μm，<53μm细粉收得率40.2%，且粉末表面比较光滑，粉末圆度平均值90.6%，欧奇奥钝度平均值92.7 %，球形度较高，粉末松装密度2.33 g/cm3，氧含量1240ppm，流动性28.4s/50g。（5）设计了蜂窝结构和六方金刚石桁架结构的多孔钛模型，并借助激光选区熔化快速成型制备了医疗零件；静态力学测试结果表明，多孔钛的孔隙率对其力学性能和生物学性能有重要影响，采用低功率、慢速度双扫描工艺可提高多孔钛的屈服强度和弹性模量。（6）采用碱热处理对多孔钛表面进行活化，处理后多孔钛的孔内外壁表面均生成了一种连续均匀的微孔网状钛酸钠活化层，这种结构具有较好的生物活性，可在后续的SBF溶液浸泡中共同作用诱导类骨的羟基磷灰石的产生，从而提高多孔钛材料整体的生物相容性。