選擇性激光熔覆氧化鋁-氧化鋯共晶陶瓷材料的實(shí)驗(yàn)研究.pdf

1、傳統(tǒng)的口腔修復(fù)陶瓷材料的加工方法由于存在加工周期長，操作步驟復(fù)雜等缺點(diǎn)，已經(jīng)無法滿足口腔修復(fù)患者對(duì)于全瓷修復(fù)體日益增長的需求。C AD/C AM切削加工系統(tǒng)雖然能夠顯著提高口腔陶瓷材料的加工效率，但是無法直接一次成形，需要進(jìn)行二次處理，增加了操作的復(fù)雜性，同時(shí)存在切削刀具損耗、材料浪費(fèi)以及二次處理成形件體積收縮等問題。選擇性激光熔覆（Selective Laser Melting，SLM）是一種先進(jìn)的快速原型技術(shù)，無需任何切削刀具和模具

2、，就可以將 C AD/C AM數(shù)據(jù)借助激光熔覆技術(shù)一次性成形，制造出性能優(yōu)異的實(shí)體零件，并且不受復(fù)雜形狀的限制。如果能夠?qū)⑦@種先進(jìn)制造技術(shù)引進(jìn)到口腔修復(fù)陶瓷材料領(lǐng)域，加工出符合臨床要求的全瓷修復(fù)體，將極大的提高修復(fù)體的制作效率，降低加工的成本，滿足醫(yī)患雙方對(duì)于全瓷修復(fù)體的需求。
　　研究目的：探索研究氧化鋁（Al2O3）/氧化鋯（ZrO2）混合陶瓷粉末在SLM成形過程中粉末原料-凝固參數(shù)-溫度場環(huán)境-成形組織-材料性能之間的關(guān)系，

3、以期獲得全密度、無裂紋、內(nèi)部物相均勻的 SLM-Al2O3/ZrO2陶瓷塊體材料，為今后 SLM技術(shù)作為口腔陶瓷材料加工技術(shù)在修復(fù)臨床領(lǐng)域的應(yīng)用打下基礎(chǔ)。
　　方法與內(nèi)容：通過掃描電鏡（SEM）觀察、能譜分析、XRD衍射、紅外溫度測定及顯微力學(xué)性能測試等手段，研究分析
　　1）SLM成形過程中Al2O3/ZrO2復(fù)相陶瓷材料組織內(nèi)部晶相生長演化的規(guī)律及其影響因素；
　　2）觀察預(yù)熱溫度對(duì)于成形材料內(nèi)部裂紋生成的影響，分

4、析生長擴(kuò)展及抑制的機(jī)理，通過有限元分析激光熔覆時(shí)溫度場的變化規(guī)律，優(yōu)選出成形工藝參數(shù)。
　　研究結(jié)果：
　　1）陶瓷粉末原料粒度過小會(huì)在粉床內(nèi)產(chǎn)生團(tuán)聚現(xiàn)象，因而引起 SLM成形陶瓷材料內(nèi)部形成缺陷和空洞，而粉末形貌對(duì)于材料無明顯影響。因此 SLM加工的陶瓷粉末原料的主要要求是粒度為100μm級(jí)；
　　2）在按照共晶比混合的粉末成形材料組織內(nèi)觀察到了由于ZrO2出現(xiàn)單相失穩(wěn)，打破共晶平衡生長而出現(xiàn)的共晶胞團(tuán)結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)

5、會(huì)引起材料內(nèi)部四方相ZrO2含量的減少，從而影響材料的力學(xué)性能。因此需要在混合粉末里更多的加入 Al2O3粉末以補(bǔ)償成形過程中氧化鋁的損失。經(jīng)實(shí)驗(yàn)分析最佳比例Al2O3:ZrO2為62.5wt％：37.5wt%；
　　3）在完全熔融的情況下，激光掃描速率越快，陶瓷材料的組織細(xì)化程度就越高，性能就越好，而對(duì)材料的晶相結(jié)構(gòu)無明顯影響；
　　4）在預(yù)熱溫度不夠以及不能穩(wěn)定的情況下，SLM陶瓷材料的表面及內(nèi)部會(huì)生成大量的裂紋，這種裂

6、紋的生成與熔池中心及四周巨大的溫度梯度有關(guān)，因此必須將溫度梯度降低，即預(yù)熱至理想溫度并保持穩(wěn)定才能夠減少成形件內(nèi)裂紋的形成；
　　5）采用激光器在熔融前于粉床上進(jìn)行高速的往返掃描的技術(shù)路線對(duì)粉床進(jìn)行預(yù)熱，通過實(shí)驗(yàn)得到了優(yōu)化的激光預(yù)熱參數(shù)（激光功率為150W，掃描速率為4000mm/min，預(yù)熱1min）；
　　6）利用有限元技術(shù)建立了SLM成形的溫度場的模型，并模擬了激光進(jìn)入熔池的瞬時(shí)狀態(tài)以及SLM陶瓷熔覆成形過程中溫度場的

7、變化情況；
　　7）設(shè)計(jì)了一種可在LRF系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)多層鋪粉加工的鋪粉裝置，并應(yīng)用這種裝置在實(shí)際中完成了SLM陶瓷塊體材料的多層燒結(jié)，優(yōu)選出了工藝參數(shù)（激光功率200W，掃描速率100mm/min，光斑10mm）。
　　8）采用Al2O3/ ZrO2混合粉末（粒徑﹤100μm，Al2O3：ZrO2為62.5wt%：37.5wt%），鋪粉后（層厚500μm）進(jìn)行激光預(yù)熱（激光功率150W，掃描速率4000 mm/min，光斑直徑

8、10mm，預(yù)熱時(shí)間1 min）然后進(jìn)行激光熔覆（激光功率200W，掃描速率100mm/min，光斑10 mm），能夠成形無明顯裂紋，全密度，組織結(jié)構(gòu)均勻細(xì)致，力學(xué)性能優(yōu)良的SLM-Al2O3/ZrO2陶瓷塊體材料。
　　結(jié)論：研究表明利用選擇性激光熔覆技術(shù)成形口腔陶瓷材料是一種完全可行的新型加工方法，能夠大大縮短的全瓷修復(fù)體的制作周期。雖然目前仍然存在表面沾粉、加工精度低等問題，但相信隨著進(jìn)一步研究其成形性能、提高精度及表面性狀，