镁合金增材制造中快速凝固微观结构的涌现

具有低密度、低弹性模量和优异生物相容性的可生物吸收镁基合金是临时骨科植入物的杰出候选材料。巧合的是，金属增材制造（AM）通过快速提供患者定制植入物正在颠覆生物医学领域。由于与基于熔化的AM技术相关的高冷却速率，它们通常被描述为快速凝固过程。然而，金属AM中快速凝固的决定性观察——由溶质截留、动力学过冷或固液界面形态转变引起的剧烈微观结构变化所证明——仍然很少。本文结合先进表征和最先进的热力学与相场建模，研究了生物医用级镁-稀土合金在激光粉末床熔融（LPBF）过程中带状微观结构的形成。我们的实验明确识别出微观结构是其他快速凝固过程中已知的振荡带状不稳定性的结果。我们的模拟证实，LPBF相关的凝固条件强烈促进了Mg-Nd合金中带状微观结构的发展。模拟还使我们能够窥见产生独特带状图案的固液界面演化的亚微米纳秒级细节。由于快速凝固的镁合金可能表现出与铸态合金显著不同的力学和腐蚀响应，因此预测快速凝固微观结构的涌现（并将其与局部凝固条件关联）的能力可能为可生物吸收骨科植入物的设计开辟新途径，这些植入物不仅在几何上适合每位患者，而且具有局部优化的力学和腐蚀性能。