Co-Cr合金修復(fù)體選擇性激光熔化工藝及力學(xué)性能研究.pdf

1、選擇性激光熔化技術(shù)(Selectivelasermelting,SLM)是一種新型的先進(jìn)增材制造技術(shù)。該技術(shù)基于離散-疊加成形原理,可直接熔化金屬及其合金粉末材料,制造出近乎全致密、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、性能優(yōu)良的金屬零件或模具,特別適合應(yīng)用于航空航天難加工、多孔結(jié)構(gòu)以及生物制造領(lǐng)域個(gè)性化結(jié)構(gòu)的快速制造。但是,SLM成形過(guò)程涉及復(fù)雜的物理及化學(xué)行為,影響因素多,零件性能與傳統(tǒng)工藝存在較大差別,且難以控制。
　　本文面向SLM制造人體修復(fù)體的應(yīng)

2、用需求,研究SLM成形鈷鉻合金的工藝優(yōu)化,在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了成形義齒的應(yīng)用研究;針對(duì)致密金屬零件的強(qiáng)度和彈性模量高于天然骨,導(dǎo)致生物力學(xué)性能不匹配的問(wèn)題,研究利用SLM技術(shù)成形出形狀可控的多孔結(jié)構(gòu),以降低其強(qiáng)度和模量。主要研究?jī)?nèi)容總結(jié)為如下三個(gè)方面:
　　在SLM成形工藝研究方面:通過(guò)單道、單層和多層掃描實(shí)驗(yàn),優(yōu)化SLM成形鈷鉻合金的成形工藝,研究激光功率、掃描速度和掃描間距對(duì)零件成形質(zhì)量的影響規(guī)律,獲得最優(yōu)工藝參數(shù):激光功率P=1

3、00W、掃描速度v=500mm/s、掃描間距=0.06mm、鋪粉層厚△Z=0.02mm,最終制造出了致密度高達(dá)98.6％的零件。制件內(nèi)部存在著少數(shù)裂紋和球化孔隙;微觀組織為晶粒細(xì)小的柱狀晶,組織均勻,但有明顯的方向性;熔池邊界晶粒粒徑明顯增大,是明顯的性能弱區(qū)。制件的抗拉強(qiáng)度為1605.3MPa,條件屈服強(qiáng)度為1243.7MPa,抗壓強(qiáng)度為2293.8MPa,延伸率為7.6%,表面硬度為32.2HRC。較鑄造件來(lái)說(shuō)強(qiáng)度提高、硬度相當(dāng)、延

4、伸率有所下降。
　　在SLM成形義齒方面:為了保證復(fù)雜結(jié)構(gòu)件的順利成形,優(yōu)化了圓柱支撐結(jié)構(gòu),根據(jù)成形過(guò)程的穩(wěn)定性得出最優(yōu)的支撐結(jié)構(gòu)尺寸為:外徑1.0mm,壁厚0.3mm,支撐間距1.2mm。采用優(yōu)化成形工藝,結(jié)合適當(dāng)?shù)闹谓Y(jié)構(gòu),成功制造出了滿足了醫(yī)療應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)的義齒,實(shí)現(xiàn)了臨床應(yīng)用。
　　在SLM成形形狀可控多孔結(jié)構(gòu)方面:設(shè)計(jì)單元重復(fù)型多孔結(jié)構(gòu),以降低金屬的強(qiáng)度和彈性模量;結(jié)合有限元模擬和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證優(yōu)化多孔結(jié)構(gòu),發(fā)現(xiàn)形狀均勻的交

5、叉結(jié)構(gòu)支撐最適合于骨骼修復(fù)體;隨著孔徑的增大,多孔件的抗壓強(qiáng)度和彈性模量減小,并且減小趨勢(shì)逐漸減緩,兩者對(duì)于孔徑的變化率相當(dāng);孔隙形狀為正三角形、正方形和正六邊形時(shí),多孔件的孔隙率依次減小,多孔件的抗壓強(qiáng)度、彈性模量依次增大,并且抗壓強(qiáng)度的上升趨勢(shì)明顯快于彈性模量。最終優(yōu)化了兩種多孔結(jié)構(gòu),其力學(xué)性能與天然骨性較好吻合。
　　論文通過(guò)系列研究,獲得了SLM成形鈷鉻合金的優(yōu)化工藝,并成形出了符合醫(yī)療應(yīng)用要求的義齒,進(jìn)行了臨床應(yīng)用;設(shè)計(jì)