牙科钴铬合金激光选区熔化成形及后处理的研究

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激光选区熔化(SLM)3D打印技术由于其个性化定制、能够成形复杂修复体、成形精度高、能大批量生产修复体、理化性能优异等特点,在口腔修复体领域拥有广泛的应用前景。但是SLM技术也存在一系列问题待以解决,其成形件内部孔隙较多、表面粗糙度较差、残余应力较大,以上这些问题一直困扰着SLM技术在口腔修复领域的临床应用。为解决以上问题,本文首先对SLM钴铬合金的显微组织进行表征,分析其显微组织的特点。然后通过实验得到了不同成形工艺(激光功率P和扫描速度V)下SLM钴铬合金的熔池形貌、孔隙率、表面粗糙度和维氏硬度,从而得到了激光线能量密度E与成形件组织和性能之间的联系,优化了打印工艺参数。然后针对不同预期用途的口腔修复体,研究了两种热处理工艺(硬化热处理和软化热处理)对SLM钴铬合金组织和力学性能的影响,并研究了模拟烤瓷热处理对SLM钴铬合金组织和力学性能的影响。主要研究结论如下:(1)SLM成形钴铬合金由大量类似于“鱼鳞片状”的团状组织构成,这主要由于激光能量高斯分布的特点导致的。而熔池内部由垂直于熔池边界生长的柱状亚晶组成,这种独特的形态主要由于在熔池边界上更容易形成晶核,而晶核易朝着最大的热流方向生长。SLM钴铬合金相组成为单相过饱和的γ-Co固溶体(FCC结构),这是由于SLM成形高熔池温度高凝固速度的原因所导致的。(2)根据激光功率P和扫描速度V对熔池形貌以及孔隙率的影响规律,引入线能量密度E,综合概括两种工艺参数P、V与熔池形貌、成形件性能之间的联系。随着线能量密度E的增大,成形件孔隙率降低,维氏硬度提升。但是当激光线能量密度E>0.15 J/mm后,孔隙率下降趋势和维氏硬度上升趋势逐渐平缓,主要由于熔池搭接区域处的缺陷萌生区减小。成形件的表面粗糙度随着线能量密度E的增大先下降后上升。线能量密度E<0.15 J/mm时,由于“凹谷”现象,试样表面粗糙度较高。线能量密度E增加至0.150.2 J/mm时,试样表面逐渐变平滑。而当线能量密度E继续增大至0.2 J/mm以上时,由于“凸峰”现象,使试样的表面粗糙度增大。实验得到优化的SLM钴铬合金成形工艺参数(线能量密度E=0.173 J/mm、激光功率P=190 W、扫描速度V=1100 mm/s)。(3)硬化热处理可以提升原始态SLM钴铬合金的强硬度,但是会使材料塑性下降。这主要因为硬化热处理使原始态SLM钴铬合金析出Laves相以及发生等温FCC→HCP相转变。软化热处理可以提升原始态SLM钴铬合金的延伸率,也会使材料屈服强度和硬度有所下降。这主要因为软化热处理中再结晶的发生以及孪晶界的出现。(4)模拟烤瓷热处理会使原始试样的强硬度明显提升,延伸率大幅下降。主要由于晶体缺陷促进亚晶界上长条状的Laves相和条纹状的ε-Co相的出现,恶化材料的韧性。模拟烤瓷热处理会使软化态试样的强硬度略有提升,延伸率有所下降。其力学性能的变化主要是由于晶内弥散分布的Laves相的出现和晶界处长条状Laves相的长大。模拟烤瓷热处理会使硬化态试样的强硬度有所降低,延伸率有所提升。主要由于模拟烤瓷热处理过程中发生的HCP→FCC相转变。
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