钛合金牙冠选择性激光熔化成形工艺与性能研究

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牙冠的传统制造方式效率低、周期长,患者佩戴舒适度差。作为一种先进的增材制造技术,选择性激光熔化(Selective Laser Melting,SLM)技术具有灵活性高、激光能量大,能够直接成形复杂结构零件等特点,对成形牙冠有着独特的优势。但薄壁件在选择性激光熔化成形中易出现变形的缺陷。本文以Ti-6Al-4V钛合金为实验材料,牙冠为研究对象,激光功率、扫描速度和扫描间距为变量,探究了不同激光能量密度对成形零件变形和性能的影响,优化了成形工艺;探讨了热处理工艺对成形零件变形、组织以及性能的影响;并将优化工艺下成形牙冠与原数字化牙冠的三维模型进行了拟合。主要研究内容及研究结论如下:(1)通过探究激光能量密度对选择性激光熔化成形Ti-6Al-4V钛合金零件变形与成形表面质量的影响,结果表明:当激光能量密度E在32.83 J/mm~3~85.71 J/mm~3范围内,随着激光能量密度的从低到高,成形零件的变形量和粗糙度均呈现出先减小后增加的趋势。以变形量为衡量指标,优化后的激光能量密度为68.18J/mm~3,即工艺参数组合为:激光功率为180 W、扫描速度为800 mm/s、扫描间距为0.11mm。(2)通过探究激光能量密度对选择性激光熔化成形Ti-6Al-4V钛合金零件致密度、维氏硬度以及力学性能的影响。结果表明:在一定的激光能量密度范围内,成形零件的致密度、维氏硬度和力学性能均呈现出先上升后再减小的变化趋势。当能量密度偏低时,Ti-6Al-4V钛合金粉末吸收热量较少,引起熔体流动不稳定,造成成形零件粗糙度较大,缺陷多,实际密度较小,硬度小;当能量密度过于充足时,金属粉末吸收热量较多,易导致过烧现象的产生,影响铺粉质量,使得成形零件内缺陷增多,成形零件的致密度与维氏硬度都变小。(3)通过对比热处理前后零件变形、组织以及性能的变化,结果表明:成形零件经热处理后,变形程度明显减小,硬度与抗拉强度也变小,断后延伸率得到提高。经过800℃/4h的退火后,零件的组织由针状α’相马氏体转变为稳定的α+β相,零件的残余应力与抗拉强度均有所减小,但塑性得到提高。(4)优化工艺参数后,选择性激光熔化技术成形的钛合金牙冠与原数字化牙冠拟合结果、硬度试验结果和粗糙度试验结果,表明:当激光功率为180 W、扫描速度为800 mm/s、扫描间距为0.11 mm时可以制备出变形小、硬度大、粗糙度低的Ti-6Al-4V钛合金牙冠,能够满足牙科需求。本文通过优化成形工艺,获得了钛合金牙冠选择性激光熔化成形最佳工艺参数组合,揭示了激光能量密度以及热处理工艺对SLM成形Ti-6Al-4V钛合金零件性能、组织形貌的影响,为选择性激光熔化成形钛合金薄壁件提供了一定的理论借鉴。
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