激光选区熔化-激光表面织构混合制造高性能医用金属的方法
阅读说明：本技术 激光选区熔化-激光表面织构混合制造高性能医用金属的方法 (Method for manufacturing high-performance medical metal by mixing selective laser melting and laser surface texture ) 是由 周圣丰 张文财 刘莹 杨俊杰 李卫 于 2021-07-20 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种激光选区熔化-激光表面织构混合制造高性能医用金属的方法,该方法包括：将医用金属零件CAD模型分层切片,生成一系列二维扫描轨迹；根据该扫描轨迹,采用激光选区熔化方法将医用金属粉末逐点、逐线、逐层堆积成三维多孔结构,孔型采用拓扑优化设计；在该多孔结构表面进行飞秒激光微加工,生成亲水结构；医用金属粉末由纯铜粉末和316L不锈钢粉末或钛合金粉末组成。本发明制备的医用金属具有细小显微结构,不仅能提高医用金属耐蚀性、生物相容性与抗菌性能,还大幅度提高医用金属的骨整合性能,作为骨植入体极大地改善了与骨头弹性模量不匹配引起的“应力屏蔽”效应、手术易感染与克服“抗菌－骨整合”两种性能之间的矛盾。(The invention discloses a method for manufacturing high-performance medical metal by mixing selective laser melting and laser surface texture, which comprises the following steps: slicing a CAD model of the medical metal part in a layering manner to generate a series of two-dimensional scanning tracks; according to the scanning track, the medical metal powder is piled up layer by layer point by point, line by line and layer by adopting a selective laser melting method to form a three-dimensional porous structure, and the hole pattern is designed by adopting topological optimization; performing femtosecond laser micromachining on the surface of the porous structure to generate a hydrophilic structure; the medical metal powder consists of pure copper powder and 316L stainless steel powder or titanium alloy powder. The medical metal prepared by the invention has a fine microstructure, not only can improve the corrosion resistance, biocompatibility and antibacterial performance of the medical metal, but also greatly improves the osseointegration performance of the medical metal, and greatly improves the stress shielding effect caused by mismatching of the elastic modulus of the bone and the surgical susceptibility and overcomes the contradiction between the two performances of antibacterial-osseointegration when used as a bone implant.)
技术领域
本发明属于激光增材制造(3D打印)技术领域，特别是涉及一种激光选区熔化-激光表面织构混合制造高性能医用金属的方法。
背景技术
含铜不锈钢和含铜钛合金具有广谱抗菌性能和良好的生物相容性能，作为植入体已在医疗卫生领域展开了广泛的应用。但是，铜离子在金属表面析出会破坏钝化膜的完整性，大大降低了其耐蚀性能，从而极大地限制了其在医用植入体方面的应用。目前，通常采用表面处理技术提高含铜不锈钢和含铜钛合金的耐腐蚀性能，包括离子注入、电镀涂层和气相沉积等。然而，高能轰击的离子可能会对材料表面的形貌特征产生不利影响，这可能会导致植入体力学性能和机械性能降低，同时，植入体经过表面处理后抗菌耐久性差，在服役过程中涂层易被磨蚀，丧失对金属基体的保护作用。
一般而言，铜离子在金属表面溶出可以起到抗菌作用，但降低了植入体的耐腐蚀性能，故抗菌性和耐蚀性存在着相互矛盾的关系。对于含铜金属材料抗菌性和耐腐蚀性难以兼顾，并且阻碍植入体科学发展与工程应用的这一瓶颈问题，人们展开了广泛的研究工作。近年来，研究人员发现植入材料内部细化的晶粒结构可以显著增强阳离子种类向氧化物/电解质界面的扩散，并迅速形成致密且缺陷最少的氧化物膜，从而提高植入材料的耐蚀性。同时，细晶材料中存在较高的晶界密度，可以为细胞生长和代谢提供能量，从而提高植入材料的生物相容性。
目前，在植入材料中获得纳米至亚微米尺寸晶粒结构的常用方法有两种：第一种方式通过塑性变形，使大晶粒破碎成细小晶粒；第二种方式通过诱导热应变过程中发生动态再结晶，使粗大的母相重新生长为更加细小的晶粒。但是，前一种方式对制备复杂尺寸的结构件具有很大的局限性；后一种方式工序繁杂，生产效率低，难以实现工业化应用。
此外，飞秒激光处理能够改变植入材料表面的微观结构，形成的凹槽和微孔可以增加界面有效面积，增加骨组织和植入体之间的机械锁合能力；增加植入材料的亲水性，可以降低细菌滞留和残留，有助于成骨细胞的粘附和分化行为，调节骨组织的免疫微环境来促进骨行为，如促进巨噬细胞胞M2表型极化，促进成骨细胞分泌BMP2和VEGF生长因子，具有十分重要的作用。然而，采用“激光选区熔化－激光表面织构”相结合技术，制备兼具抗菌与促骨整合两种优异性能的医用金属，还未见文献报道。
发明内容
为了解决上述现有技术的不足，本发明提供了一种激光选区熔化-激光表面织构混合制造高性能医用金属的方法，该方法通过采用飞秒激光处理后，含铜抗菌不锈钢和含铜抗菌钛合金的表面润湿性行为表现为亲水性，有利于细菌细胞在医用金属表面解离和脱附，赋予了该医用金属优异的骨整合性能；在铜离子和亲水结构的协同作用下，含铜抗菌不锈钢和含铜抗菌钛合金具有优异的抗菌性能与腐蚀性能。
一种激光选区熔化-激光表面织构混合制造高性能医用金属的方法，所述方法包括：
将含铜抗菌不锈钢和含铜抗菌钛合金零件CAD模型分层切片，根据切片轮廓信息生成一系列激光选区熔化成形二维扫描轨迹；
将含铜抗菌不锈钢粉末和含铜抗菌钛合金粉末作为激光选区熔化的成形粉末；所述含铜抗菌不锈钢粉末由纯铜粉末和316L不锈钢粉末组成，所述含铜抗菌钛合金粉末由纯铜粉末和钛合金粉末组成；
将成形粉末放入激光选区熔化成形室的装料斗内；成形室被抽成真空，并充入氩气；将表面经过除锈与喷砂处理的316L不锈钢和TC4钛合金基材加热到100～200℃；根据生成的二维扫描轨迹，采用激光选区熔化的方法逐点、逐线、逐层堆积成三维多孔的含铜抗菌不锈钢和含铜抗菌钛合金；
将激光选区熔化成形含铜抗菌不锈钢和含铜抗菌钛合金经表面打磨与抛光处理后，在无水乙醇中超声清洗10～20分钟，干燥处理，为激光表面织构处理做准备；
调节飞秒激光器能量密度，使用一组平行的光栅路径，在含铜抗菌不锈钢和含铜抗菌钛合金表面进行扫描，生成亲水微结构。
进一步的，所述含铜抗菌不锈钢粉末由纯铜粉末和316L不锈钢粉末组成，其中，纯铜粉在含铜不锈钢粉末内的质量百分含量为0.5～7.5％，316L不锈钢粉末的化学成分为：Cr 17.52wt.％、Ni 12.27wt.％、Mo 0.74wt.％、C 0.04wt.％、Si 1.03wt.％、O0.05wt.％、B 0.68wt.％、余量为Fe；
所述含铜抗菌钛合金粉末由纯铜粉末和钛合金粉末组成，其中，纯铜粉在含铜钛合金粉末内的质量百分含量为0.5～9％，钛合金粉末为TC4或Ti2448，TC4钛合金粉末的化学成分为：Al 6.01wt.％、V 3.97wt.％、Fe 0.02wt.％、C 0.01wt.％、N 0.001wt.％、O0.03wt.％、H 0.001wt.％、余量为Ti，Ti2448钛合金的化学成分为：Nb 23.2wt.％、Zr3.85wt.％、Sn 8.1wt.％、O 0.15wt.％、N<0.005wt.％、余量为Ti。
进一步的，所述纯铜粉末粒度为20～30μm，所述316L不锈钢粉末粒度为30～48μm，所述钛合金粉末的粒度为20～50μm。
进一步的，采用激光选区熔化方法，设置的工艺参数为：
激光器波长为1060nm，激光功率为50～100W，激光扫描速度为500～800mm/s，分层切片厚度为30～60μm，搭接率为70％；制备多孔零件的工艺参数为：激光功率为150～500W，激光扫描速度为500～5000mm/s，分层切片厚度为50～100μm，搭接率为60～70％，孔型结构采用拓扑优化设计，采用连续两层间激光扫描方向旋转67°路径方式成形。
进一步的，所述含铜抗菌不锈钢和含铜抗菌钛合金的显微结构特征均为：
金属基体由细小等轴晶和柱状晶组成，熔池边缘由相互连通的胞状和柱状亚晶组成；金属基体的晶界处均匀分布具有立方结构的纳米ε-Cu颗粒。
进一步的，所述细小等轴晶和柱状晶的尺寸均在300～800nm之间；所述纳米ε-Cu颗粒具有面心立方结构。
进一步的，所述飞秒激光器近红外波长设为1030～1040nm，输出功率设为30～50W，光斑半径设为20～30μm，圆度设为85％～100％，脉冲持续时间设为3×10-13～4×10- 13s，频率设为100～500kHz，单脉冲能量设为120～600μJ，激光扫描速度设为5～15m/s；
所述飞秒激光器扫描含铜抗菌不锈钢和含铜抗菌钛合金表面，生成周期性结构。
进一步的，所述亲水微结构为：在含铜抗菌不锈钢和含铜抗菌钛合金以网格线路径进行刻蚀，生成圆锥形微米级结构，同时圆锥形微米级结构还存在纳米结构突起；
或所述亲水微结构为：
所述亲水微结构还包括在含铜抗菌不锈钢和含铜抗菌钛合金以相互平行的直线路径进行刻蚀，生成正梯形微米级结构，同时正梯形微米级结构表面存在周期性凹槽。
进一步的，所述含铜抗菌不锈钢和含铜抗菌钛合金的表面润湿性表现为亲水性，接触角增加到90～150°，有利于细菌细胞在医用金属表面解离和脱附；在人体血清、磷酸盐缓冲液和0.9M NaCl溶液这一系列生物电解质中进行测试时，激光选区熔化-激光表面织构混合制造含铜不锈钢和含铜钛合金表现出更高的电荷转移抵抗力和更高的击穿电位，其抗电化学腐蚀性能高于铸造不锈钢和钛合金。
本发明相对于现有技术具有如下的有益效果：
1、可以实现含铜抗菌不锈钢和含铜抗菌钛合金个性化设计与制造。
2、含铜抗菌不锈钢和含铜抗菌钛合金主要由细小的蜂窝状和圆柱状的晶粒组成，尺寸在300～800nm之间，熔池边缘由取向良好且相互连通的胞状和柱状亚晶组织构成，纳米ε-Cu颗粒均匀分布于基体内部。
3、采用飞秒激光处理后，含铜抗菌不锈钢和含铜抗菌钛合金的表面润湿性行为表现为亲水性，有利于细菌细胞在医用金属表面解离和脱附，赋予了该医用金属优异的骨整合性能。
4、在铜离子和亲水结构的协同作用下，含铜抗菌不锈钢和含铜抗菌钛合金具有优异的抗菌性能与腐蚀性能。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。
图1(a)为激光选区熔化制备抗菌医用金属的示意图。
图1(b)为飞秒激光处理抗菌医用金属表面生成亲水结构的示意图。
图2为采用拓扑优化设计获得的孔型结构。
其中图1中：1为激光选区熔化激光头；2为已成形的抗菌医用金属多孔；3为未被熔化的金属粉末；4为金属基材；5为飞秒激光处理的激光头；6为飞秒加工轨迹；7为网格线扫描，以生成圆锥形亚结构；8为直线扫描，以生成正梯形亚结构。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。应当理解，描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。
实施例1：
将经过除锈与喷砂处理的不锈钢作为基材，采用激光选区熔化成形结合激光表面织构制备含铜抗菌不锈钢，获得的含铜抗菌不锈钢的显微结构特征为：作为基体，细小的蜂窝状和圆柱状的面心立方奥氏体晶粒尺寸在500～800nm之间，熔池边缘由取向良好且相互连通的胞状和柱状亚晶组织构成；由于液相分离而自组装形成的具有面心立方结构的纳米ε-Cu颗粒均匀分布于γ-Fe内；采用飞秒激光处理后，含铜抗菌不锈钢的表面润湿性行为表现为亲水性，接触角增加到90～100°，有利于细菌细胞在含铜抗菌不锈钢表面解离和脱附；在人体血清生物电解质中进行测试时，激光选区熔化成形抗菌不锈钢的电荷转移电阻和击穿电位分别为2.23MΩ·cm2和984mV，而铸造法制备的抗菌不锈钢电荷转移电阻和击穿电位分别为1.66MΩ·cm2和409mV，其抗电化学腐蚀性能优于铸造法制备的含铜不锈钢；在铜离子和亲水结构的协同作用下，含铜抗菌不锈钢对大肠杆菌和大肠杆菌的抗菌率达到99.98％，并随着时间的延长，经过飞秒激光处理的含铜抗菌不锈钢表面的细菌残留量降低了61.63％，骨整合时间约为3.5～4.2个月。具体实施过程如下：
(1)将含铜抗菌不锈钢零件CAD模型分层切片，根据切片轮廓信息生成一系列激光选区熔化成形二维扫描轨迹；
(2)将含铜抗菌不锈钢粉末作为激光选区熔化的成形粉末，含铜抗菌不锈钢粉末由纯铜粉末和316L不锈钢粉末按照316L-0Cu(wt.％)、316L-1.5Cu(wt.％)、316L-4.5Cu(wt.％)和316L-7.5Cu(wt.％)的比例组成，其中316L不锈钢粉末的化学成分为：Cr17.52wt.％，Ni 12.27wt.％，Mo 0.74wt.％，C 0.04wt.％，Si 1.03wt.％，O 0.05wt.％，B0.68wt.％，余量为Fe，316L不锈钢粉末粒度为38～48微米；纯铜粉末粒度为45微米；
(3)将激光选区熔化成形室抽成真空，然后充入氩气；将表面经过除锈与喷砂处理的不锈钢加热到100～200℃；根据生成的扫描轨迹，采用激光选区熔化的方法逐点、逐线、逐层堆积成三维多孔的含铜抗菌不锈钢，如图1所示；
(4)将含铜抗菌不锈钢用400～3000目的碳化硅砂纸打磨，直至表面具有统一的粗糙度；用3.5～0.5μm的金刚石抛光膏将金属多孔抛光至无划痕的镜面，然后在无水乙醇中超声清洗5～10分钟，干燥处理，为飞秒激光处理做准备；
(5)调节飞秒激光器，使用一组平行的光栅路径，选择需要的能量密度在含铜抗菌不锈钢表面进行扫描，生成亲水微结构。
制备支撑结构的工艺参数为：激光器波长为1060nm，激光功率为56W，激光扫描速度为500mm/s，分层切片厚度为30μm，搭接率为70％；制备含铜抗菌不锈钢零件的工艺参数为：激光功率为180W，激光扫描速度为800mm/s，分层切片厚度为60μm，搭接率为60％，孔型结构采用拓扑优化设计，如图2所示；采用连续两层间激光扫描方向旋转67°路径方式成形，直到完成含铜抗菌不锈钢零件制造。
飞秒激光处理的工艺参数为：激光器近红外波长为1030nm，输出功率为30W，光斑半径为20μm，圆度为85％，脉冲持续时间为(脉宽)3×10-13s，频率为250kHz，激光扫描速度为5m/s，按上述方案灼烧含铜抗菌不锈钢表面以生成周期性结构。
实施例2：
将经过除锈与喷砂处理的不锈钢作为基材，采用激光选区熔化成形结合飞秒激光处理制备含铜抗菌不锈钢，获得的含铜抗菌不锈钢的显微结构特征为：作为基体，细小的蜂窝状和圆柱状的面心立方奥氏体晶粒尺寸在500～800nm之间，熔池边缘由取向良好且相互连通的胞状和柱状亚晶组织构成；由于液相分离而自组装形成的具有面心立方结构的纳米ε-Cu颗粒均匀分布于γ-Fe晶格内部；采用飞秒激光处理后，含铜抗菌不锈钢的表面润湿性行为表现为亲水性，接触角增加到90～100°，有利于细菌细胞在含铜抗菌不锈钢表面解离和脱附；在磷酸盐缓冲液这一生物电解质中进行测试时，激光选区熔化成形不锈钢的电荷转移电阻和击穿电位分别为2.21MΩ·cm2和1038mV，而铸造法制备的不锈钢电荷转移电阻和击穿电位分别为1.42MΩ·cm2和403mV，其抗电化学腐蚀性能优于铸造法制备的不锈钢；在铜离子和亲水结构的协同作用下，含铜抗菌不锈钢对大肠杆菌的抗菌率达到99.98％，并随着时间的延长，经过飞秒激光处理过的铜抗菌不锈钢表面的细菌残留量降低了70.3％，骨整合时间约为3.0～3.5个月。具体实施过程如下：
(1)将含铜抗菌不锈钢零件CAD模型分层切片，根据切片轮廓信息生成一系列激光选区熔化成形二维扫描轨迹；
(2)将含铜抗菌不锈钢粉末作为激光选区熔化的成形粉末，含铜抗菌不锈钢粉末由纯铜粉末和316L不锈钢粉末按照316L-0Cu(wt.％)、316L-1.5Cu(wt.％)、316L-4.5Cu(wt.％)和316L-7.5Cu(wt.％)的比例组成，其中316L不锈钢粉末的化学成分为：Cr17.52wt.％，Ni 12.27wt.％，Mo 0.74wt.％，C 0.04wt.％，Si 1.03wt.％，O 0.05wt.％，B0.68wt.％，余量为Fe，纯铜粉末粒度为45微米，316L不锈钢粉末粒度为38～48微米；
(3)将激光选区熔化成形室抽成真空，然后充入氩气；将表面经过除锈与喷砂处理的不锈钢加热到100～200℃；根据生成的扫描轨迹，采用激光选区熔化的方法逐点、逐线、逐层堆积成三维多孔的含铜抗菌不锈钢，如图1所示；
(4)将含铜抗菌不锈钢用400～3000目的碳化硅砂纸打磨，直至表面具有统一的粗糙度；用3.5～0.5μm的金刚石抛光膏将金属多孔抛光至无划痕的镜面，然后在无水乙醇中超声清洗5～10分钟，干燥处理，为飞秒激光处理做准备；
(5)调节飞秒激光器,使用一组平行的光栅路径，选择需要的能量密度在含铜抗菌不锈钢表面进行扫描，生成亲水微结构。
制备支撑结构的工艺参数为：激光器波长为1060nm，激光功率为56W，激光扫描速度为500mm/s，分层切片厚度为30μm，搭接率为70％；制备含铜抗菌不锈钢零件的工艺参数为：激光功率为190W，激光扫描速度为1100mm/s，分层切片厚度为90μm，搭接率为65％，孔型结构采用拓扑优化设计，如图2所示；采用连续两层间激光扫描方向旋转67°路径方式成形，直到完成含铜抗菌不锈钢零件制造。
飞秒激光处理的工艺参数为：激光器近红外波长为1030nm，输出功率为30W，光斑半径为20μm，圆度为95％，脉冲持续时间为(脉宽)4×10-13s，频率为300kHz，激光扫描速度为8m/s，按上述方案灼烧含铜抗菌不锈钢表面以生成周期性结构。
实施例3：
将经过除锈与喷砂处理的钛合金作为基材，采用激光选区熔化成形结合飞秒激光处理制备含铜抗菌钛合金，获得的含铜抗菌钛合金的显微结构特征为：作为基体，细小的针状马氏体晶粒尺寸宽度可达数百纳米至数微米，长度可达数十微米，熔池边缘由取向良好且相互连通的亚晶组织构成；由于液相分离而自组装形成的具有面心立方结构的纳米ε-Cu颗粒均匀分布于马氏体晶格内部；采用飞秒激光处理后，含铜抗菌钛合金的表面润湿性行为表现为亲水性，接触角增加到90～100°，有利于细菌细胞在含铜抗菌不锈钢表面解离和脱附；在0.9M NaCl这一生物电解质中进行测试时，激光选区熔化成形钛合金的电荷转移电阻和击穿电位分别为0.62MΩ·cm2和920mV，而铸造法制备的钛合金电荷转移电阻和击穿电位分别为0.26MΩ·cm2和200mV，其抗电化学腐蚀性能优于铸造法制备的钛合金；在铜离子和亲水结构的协同作用下，含铜抗菌钛合金对大肠杆菌的抗菌率达到99.98％，并随着时间的延长，经过飞秒激光处理过的含铜抗菌钛合金表面的细菌残留量降低了75.6％，骨整合时间约为2.5～3.2个月。具体实施过程如下：
(1)将含铜抗菌钛合金零件CAD模型分层切片，根据切片轮廓信息生成一系列激光选区熔化成形二维扫描轨迹；
(2)将含铜抗菌钛合金粉末作为激光选区熔化的成形粉末，含铜抗菌钛合金粉末由纯铜粉末和钛合金粉末TC4组成，纯铜在含铜钛合金粉末内的质量百分含量为0.5～9％，钛合金粉末TC4的化学成分为：Al 6.01wt.％、V 3.97wt.％、Fe 0.02wt.％、C0.01wt.％、N0.001wt.％、O 0.03wt.％、H 0.001wt.％、余量为Ti，纯铜粉末粒度为20～30μm，钛合金粉末TC4的粒度为20～50μm；
(3)将激光选区熔化成形室抽成真空，然后充入氩气；将表面经过除锈与喷砂处理的钛合金基板加热到100～200℃；根据生成的扫描轨迹，采用激光选区熔化的方法逐点、逐线、逐层堆积成三维多孔的含铜抗菌钛合金，如图1所示；
(4)将含铜抗菌钛合金用400～3000目的碳化硅砂纸打磨，直至表面具有统一的粗糙度；用3.5～0.5μm的金刚石抛光膏将金属多孔抛光至无划痕的镜面，然后在无水乙醇中超声清洗5～10分钟，干燥处理，为飞秒激光处理做准备；
(5)调节飞秒激光器,使用一组平行的光栅路径，选择需要的能量密度在含铜抗菌钛合金表面进行扫描，生成亲水微结构。
制备支撑结构的工艺参数为：激光器波长为1060nm，激光功率为56W，激光扫描速度为500mm/s，分层切片厚度为30μm，搭接率为70％；制备含铜抗菌钛合金零件的工艺参数为：激光功率为200W，激光扫描速度为1400mm/s，分层切片厚度为120μm，搭接率为70％，孔型结构采用拓扑优化设计，如图2所示；采用连续两层间激光扫描方向旋转67°路径方式成形，直到完成含铜抗菌钛合金零件制造。
飞秒激光处理的工艺参数为：激光器近红外波长为1030nm，输出功率为30W，光斑半径为20μm，圆度为100％，脉冲持续时间为(脉宽)4×10-13s，频率为350kHz，激光扫描速度为12m/s，按上述方案灼烧含铜抗菌不锈钢表面以生成周期性结构。
实施例4：
将经过除锈与喷砂处理的钛合金作为基材，采用激光选区熔化成形结合飞秒激光处理制备含铜抗菌钛合金，获得的含铜抗菌钛合金的显微结构特征为：作为基体，细小的针状马氏体晶粒尺寸宽度可达数百纳米至数微米，长度可达数十微米，熔池边缘由取向良好且相互连通的亚晶组织构成；由于液相分离而自组装形成的具有面心立方结构的纳米ε-Cu颗粒均匀分布于马氏体晶格内部；采用飞秒激光处理后，含铜抗菌钛合金的表面润湿性行为表现为亲水性，接触角增加到90～100°，有利于细菌细胞在含铜抗菌不锈钢表面解离和脱附；在0.9M NaCl这一生物电解质中进行测试时，激光选区熔化成形钛合金的电荷转移电阻和击穿电位分别为0.71MΩ·cm2和1040mV，而铸造法制备的钛合金电荷转移电阻和击穿电位分别为0.35MΩ·cm2和578mV，其抗电化学腐蚀性能优于铸造法制备的钛合金；在铜离子和亲水结构的协同作用下，含铜抗菌钛合金对大肠杆菌的抗菌率达到99.99％，并随着时间的延长，经过飞秒激光处理过的含铜抗菌钛合金表面的细菌残留量降低了85.9％，骨整合时间约为1.8～2.5个月。具体实施过程如下：
(1)将含铜抗菌钛合金零件CAD模型分层切片，根据切片轮廓信息生成一系列激光选区熔化成形二维扫描轨迹；
(2)将含铜抗菌钛合金粉末作为激光选区熔化的成形粉末，含铜抗菌钛合金粉末由纯铜粉末和钛合金粉末Ti2448组成，纯铜在含铜钛合金粉末内的质量百分含量为0.5～9％，钛合金Ti2448的化学成分为：Nb 23.2wt.％、Zr 3.85wt.％、Sn 8.1wt.％、O0.15wt.％、N<0.005wt.％、余量为Ti；纯铜粉末粒度为20～30μm，钛合金粉末Ti2448的粒度为20～50μm；
(3)将激光选区熔化成形室抽成真空，然后充入氩气；将表面经过除锈与喷砂处理的钛合金基板加热到100～200℃；根据生成的扫描轨迹，采用激光选区熔化的方法逐点、逐线、逐层堆积成三维多孔的含铜抗菌钛合金，如图1所示；
(4)将含铜抗菌钛合金用400～3000目的碳化硅砂纸打磨，直至表面具有统一的粗糙度；用3.5～0.5μm的金刚石抛光膏将金属多孔抛光至无划痕的镜面，然后在无水乙醇中超声清洗5～10分钟，干燥处理，为飞秒激光处理做准备；
(5)调节飞秒激光器,使用一组平行的光栅路径，选择需要的能量密度在含铜抗菌钛合金表面进行扫描，生成亲水微结构。
制备支撑结构的工艺参数为：激光器波长为1060nm，激光功率为56W，激光扫描速度为500mm/s，分层切片厚度为30μm，搭接率为70％；制备含铜抗菌钛合金零件的工艺参数为：激光功率为180W，激光扫描速度为800mm/s，分层切片厚度为60μm，搭接率为60％，孔型结构采用拓扑优化设计，如图2所示；采用连续两层间激光扫描方向旋转67°路径方式成形，直到完成含铜抗菌钛合金零件制造。
飞秒激光处理的工艺参数为：激光器近红外波长为1030nm，输出功率为30W，光斑半径为20μm，圆度为100％，脉冲持续时间为(脉宽)4×10-13s，频率为350kHz，激光扫描速度为15m/s，按上述方案灼烧含铜抗菌不锈钢表面以生成周期性结构。
应当注意，尽管在附图中以特定顺序描述了上述实施例的方法操作，但是这并非要求或者暗示必须按照该特定顺序来执行这些操作，或是必须执行全部所示的操作才能实现期望的结果。相反，描绘的步骤可以改变执行顺序。附加地或备选地，可以省略某些步骤，将多个步骤合并为一个步骤执行，和/或将一个步骤分解为多个步骤执行。
以上所述，仅为本发明专利较佳的实施例，但本发明专利的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明专利所公开的范围内，根据本发明专利的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都属于本发明专利的保护范围。
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