TC4钛合金牙种植体凝固过程模拟与实验研究

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选区激光熔化(Selective laser melting,SLM)技术通过逐层累积加工的方式,克服了钛合金在制造复杂牙种植体时因其熔点高、活性高、变形抗力大和切削加工能力差导致的加工难题,在钛合金牙种植体制造领域具有显著优势。钛合金牙种植体的SLM过程主要包括激光扫描时的传热过程、金属粉末的熔化和凝固、冷却时的相变以及因传热不均导致的成形件残余应力。同时,由于激光热循环作用下,金属粉末材料的物理性能参数随着温度变化,是一个复杂的非平衡物理化学冶金过程,任一过程参量的变化都可能引起最终成形件的表面质量和翘曲变形。因此,有必要通过控制工艺参量,对SLM过程的温度场、应力场进行研究,探讨SLM钛合金的成形机理,掌握工艺参数对SLM牙种植体的影响。同时,考虑到咀嚼时牙种植体的受力问题,有必要研究其在实际载荷作用下的应力分布,建立更好的钛合金种植牙系统弹性模量组合。本文的主要工作如下:(1)利用有限元分析软件计算了不同静力作用下的多种基台-种植体周围骨组织的应力分布。结果显示,TC4(Ti6Al4V)钛合金基台-PEEK(poly-ether-ether-ketone)种植体可有效降低应力集中,周围骨组织的应力分布较为均匀,最大应力值约为40~60 MPa,这种组合方式有助于骨沉积和成骨量增加,从而有效提高种植体的界面稳定性。(2)采用ABAQUS有限元模拟软件,在考虑了热源模型、热传导、热对流、相变潜热以及材料属性转换问题的前提下,建立了SLM温度场模型,同时,通过子程序DFLUX的调用,实现热源扫描路径的规划。主要探讨了搭接率和扫描路径对SLM温度场变化情况的影响。模拟结果显示,岛式扫描、搭接率在40%左右时,SLM温度场的分布更为均匀,对成型件更为有益。(3)在已获得SLM温度场模拟结果的前提下,采取间接分析法的热力耦合方式对SLM热应力进行了有限元分析。模拟结果显示,当搭接率过高时,将导致相邻道次过近,热积累过大,导致熔池不稳定和粉末颗粒喷溅,影响最终残余应力变化,而岛式扫描方式可以有效降低残余应力水平,减轻成形件的翘曲变形问题。(4)通过实验研究,对模拟结果进行了实验验证。通过分析TC4成形件的金相组织、表面粗糙度、表面接触角、显微硬度和拉伸性能等方面,发现SLM温度场对成形件微观组织与宏观性能的影响。实验结果显示,岛式扫描、搭接率在40%左右时,SLM温度场的分布更为均匀,成形件表面质量较好,组织致密,机械性能优异。
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