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| 工艺参数的匹配对牙科Ti | |||||
作者：佚名 论文来源：本站原创 点击数： 更新时间：2008-10-4  |
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【关键词】 显微组织结构 Influence of technologic parameter matching on laser solid forming properties of TiZr alloy for oral prosthesis 【Abstract】 AIM: To find relatively proper technologic parameter matching by evaluating its influence on laser solid forming properties of TiZr alloy powder. METHODS: Single cladding test under different technologic parameter matching was carried out by orthogonal design method and the single cladding height (H) and the single cladding width (W) were measured to find the suitable technologic parameter matching. The microstructure of TiZr alloy formed under this suitable technologic parameter matching was analyzed by scanning electron microscope (SEM). RESULTS: When the ratio of laser power to facular diameter was 2.7 kW/3 mm, the powder feeding speed was 90 r/min and the moving speed of numerical control machine was 5 mm/s, better H (826.61 μm) and W (3504.61 μm) were obtained. The SEM photograph showed that directional solidification cladding layer with thin and dense columnar dendrites was acquired. CONCLUSION: Under proper technological control, dental TiZr alloy powder is a new material for laser solid forming. 【Keywords】 laser forming; TiZr alloy; microstructure 【摘要】 目的： 研究钛锆(TiZr)合金粉末激光立体成形时的工艺参数对其成形性的影响，探索比较匹配的成形工艺参数. 方法： 采用正交设计的统计方法进行试验分组，分别在不同的工艺参数的组合下进行TiZr粉末的单层单道熔覆试验，测量其单层熔覆高度（H）和单道熔覆宽度（W），然后在优化了的工艺参数下进行多层堆积，观察成形后TiZr合金的组织. 结果： 在激光功率与光斑直径之比（P/d）为2.7 kW/3 mm，送粉器转速(M)为90 r/min和数控机床的运动速度（V）为5 mm/s等参数下，TiZr粉末激光立体成形时具有较好的H和W,分别为826.61 μm和3504.61 μm. 电镜显示在该参数控制下成形的合金组织为均匀细致的定向快速凝固组织. 结论： 通过进行工艺控制，牙科TiZr合金粉末是一种可用于激光立体成形的新型材料. 【关键词】 激光加工； 钛锆合金； 显微组织结构 0引言 快速成型在原型和模型的制造方面，已成为一种不可替代的先进制造技术［1］. 激光立体成形技术是在20世纪80年代末期出现的快速原型技术的基础上结合自动送粉激光熔覆技术而发展起来的一项高新制造技术［2，3］. 将该技术用于口腔金属修复体的加工具有传统加工方法所无法比拟的优点［4,5］. 我们采用实验方法测定不同激光能量密度、送粉速率和数控机床移动速度的下TiZr粉末的激光立体成形性，初步优化了TiZr粉末激光立体成形的工艺参数. 1材料和方法 1.1材料 西北工业大学凝固技术国家重点实验室自行研制的激光快速成形装备，该装备由RS850型CO2横流激光器、LRF855型专用激光快速成形机、JPSF1型高精度送粉器等设备组成; Leica定量金相显微镜，JXA840扫描电镜,Ti基材，TiZr合金粉末（与西北有色金属研究院粉冶中心合作研制，自蔓延高温合成机械粉碎法制备，粉末形貌为非球形粉，粒径100~200目，松装密度1.77 g/cm3，流动性47.63 s/50 g，氧含量0.37%）等. 1.2方法 1.2.1实验分组以激光能量密度（P/d）、送粉器转速（M）和数控机床的运动速度（V）三个主要的工艺参数作为控制因素，从专业角度可以判定各因素之间无交互作用. 每个控制因素分为三个不同的水平，选择正交设计表的1，2，3列，得到了三因素三水平的正交设计表进行统计学分组，共9组实验，每组重复4次，共36次试验（Tab 1）.表1激光立体成形试验工艺参数的正交设计表（略） 1.2.2单层单道的熔覆实验按照以上分组分别在Ti基材上进行单层单道的激光熔覆实验. 将熔覆上TiZr后的基材从中间剖开，用自凝塑料镶样后按金相要求磨光、抛光，在定量金相显微镜下测量单道熔覆宽度(W)和单层熔覆高度(H)（Fig 1）. 1.2.3TiZr激光立体成形后组织观察在1.2.2得到的相对匹配的工艺参数下进行TiZr粉末的单道多层堆积成形. 将成形后的试件取样，按金相要求镶样后磨光、抛光，经30 g/L HF和100 mL/L HNO3的混合溶液腐蚀后在扫描电镜下观察TiZr合金的组织. 统计学处理：将所得数据输入SPSS 11.0进行统计学分析. 得出相对比较匹配的工艺参数. 2结果 2.1各种工艺参数组合下的单层熔覆高度和单道熔覆宽度各组实验单道宽度和单层高度的结果见Tab 2.表2各组实验单道宽度和单层高度值（略） SPSS 11.0正交设计方差分析的统计结果为：三个控制因素不同水平对单层熔覆高度和单道熔覆宽度的影响具有显著的统计学差异（P<0.01）. 结果显示，在激光能量密度为2.7 kW/3 mm, M为90 r/min, V为5 mm/s下，TiZr粉末具有较好的激光立体成形性. 2.2TiZr合金激光立体成形后的组织在激光能量密度为2.7 kW/3 mm，M为90 r/min，V为5 mm/s的工艺控制下成形后TiZr组织的电镜照片显示：横断面（Fig 2Ａ）为堆积成形过程中某一个层面的组织形貌，激光立体成形后的TiZr合金的组织为均匀细致的组织，几乎没有材料的偏析；纵剖面（Ｆｉｇ 2Ｂ）为堆积成形中不同层面的动态观，在Z轴生长方向上，激光立体成形的TiZr合金组织呈枝晶状延伸，具有定向快速凝固组织的组织学特征. 3讨论 我们研究了工艺参数的匹配对TiZr合金激光立体成形性能的影响规律(主要是对单层熔覆高度和单道熔覆宽度等的影响). 单层熔覆高度对于激光立体成形制造过程而言是一个非常重要的指标，它的大小不仅决定着制造效率，而且能否对它进行精确控制将直接决定Z轴的加工精度. 从目前的研究结果来看，Z轴的精度太低仍然是困扰激光立体成形整体加工精度的主要问题，其精度比X轴和Y轴的精度要低一个数量级. 单道熔覆宽度是另一个比较重要的指标，它的大小主要关系到X、Y轴方向的成形精度. 有效地控制好单层熔覆高度和单道熔覆宽度是进一步研究材料激光立体成形的基础. 影响材料激光立体成形性的因素很多，其中工艺控制是一个比较重要的方面. 在众多的工艺参数中，激光的能量密度、送粉速率和运动速度是相对比较重要的工艺参数. 本试验结果表明，在中等强度激光能量密度、较高的送粉速率和较低的运动速度下，TiZr粉末具有较好的激光立体成形性. 对单层熔覆高度和单道熔覆宽度影响的3个工艺参数：①激光能量密度: 激光能量密度对单层熔覆高度的影响较为复杂，一方面，激光能量密度越大，所形成的熔池面积越大，就会有更多的粉末进入熔池，这对于提高单层涂覆高度是有利的；另一方面，当激光能量密度太大时，会使熔池深度增大，当液态金属的表面张力无法与其重力平衡时将沿两侧向下流，直至熔池变宽变浅使二者重新达到平衡状态，这样实际的单层熔覆高度将会变小. 对单道熔覆宽度而言，激光能量密度的增加将增加单道熔覆宽度. ②送粉速率: 单层涂覆高度随送粉速率的增加而增加. 其原因很简单，单位时间内进入熔池的粉末数量随送粉量的增加而增加，必然增加其单层熔覆高度. 送粉量的增加对单道熔覆宽度没有明显影响. 这是因为单道熔覆宽度主要受激光熔池宽度的制约，尤其是熔覆第一层时在基材上形成的熔池宽度. ③数控机床运动速度: 运动速度的增高将会导致单层熔覆高度的降低，可能的原因是，随着运动速度的提高，单位时间进入熔池的粉末量将会减少，从而导致单层熔覆高度的降低. 同时，运动速度的增高也会导致单道熔覆宽度的降低，因为运动速度的提高将会减少基材对激光能量的吸收，降低了熔池的宽度，从而减少了单道熔覆的宽度. 【参考文献】 ［1］ 金树人,姚月玲,高勃,等. 应用快速成型法制作磨牙树脂全冠［J］. 第四军医大学学报，2003;24（8）：700-702. Jin SR, Yao YL, Gao B, et al. An experimental study on the fabrication of the molar resin crown with rapid prototyping technology ［J］. J Fourth Mil Med Univ, 2003;24(8):700-702. ［2］ Gremaud M, Wagmiere JD，Zryd A, et al. Laser metal forming: Process fundamentals ［J］. Surf Eng, 1996;12(3):251-259. ［3］ Gaumann M, Henry S, Cleton F, et al. Epitaxial laser metal forming: Analysis of microstructure formation［J］. Mat Sci ＆ Eng A, 1999;271A:232-241. ［4］ 高勃，谭永生，卿侯,等. 应用激光快速成型方法复制下颌骨(2)用LOM由三维重建数据制作下颌骨［J］. 实用口腔医学杂志, 2000;16(2):140-142. Gao B, Tan YS, Qing H, et al. Fabrication of mandibula replicas with rapid prototyping by laminated object manufacturing-Part2: Fabrication of mandibula with the data of threedimensional reconstruction of human mandibula ［J］. J Pract Stomatol, 2000;16(2):140-142. ［5］ 张永忠, 石力开, 章萍芝,等 激光快速成形镍基高温合金研究［J］ 航空材料学报, 2002;22（1）：22-25 |
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