選擇性激光熔覆氧化鋁-氧化鋯復(fù)合陶瓷的溫度場(chǎng)數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)研究.pdf

1、氧化鋁(Al2O3)和氧化鋯(ZrO2)全瓷修復(fù)體材料具有優(yōu)良的美學(xué)性能及力學(xué)性能，因此在臨床上得到廣泛使用。目前主流的加工方法是采用牙科 CAD/CAM系統(tǒng)進(jìn)行切削成型后再加工，此方法制作的口腔全瓷修復(fù)體具有良好的性能，但是存在成本高、難度大等局限性。選擇性激光熔覆（Selective Laser Melting，SLM）是一種可以避免材料浪費(fèi)的增材制造加工技術(shù)，加工過(guò)程中可以自由成型。但SLM過(guò)程中存在成型試件開(kāi)裂等問(wèn)題，嚴(yán)重影響了

2、材料性能。
　　研究目的：
　　本實(shí)驗(yàn)建立SLM制備Al2O3/ZrO2復(fù)合陶瓷材料過(guò)程中的瞬態(tài)三維溫度場(chǎng)有限元模型，并利用此模型分析溫度場(chǎng)分布以及工藝參數(shù)對(duì)溫度場(chǎng)分布的影響，最后將溫度場(chǎng)數(shù)值模擬結(jié)果作為SLM實(shí)驗(yàn)的理論指導(dǎo)，為制備裂紋較少的Al2O3/ZrO2塊體材料奠定基礎(chǔ)。
　　方法與內(nèi)容:
　　本實(shí)驗(yàn)利用ANSYS12.1參數(shù)化設(shè)計(jì)語(yǔ)言(ANSYS Parametric Design Language，A

3、PDL)、“生死單元”技術(shù)、紅外溫度測(cè)定、掃描電鏡（Scanning Electron Microscope，SEM）觀察及顯微力學(xué)性能測(cè)試等手段，研究分析：
　?。?）利用ANSYS建立選擇性激光熔覆Al2O3/ZrO2復(fù)合陶瓷過(guò)程中的溫度場(chǎng)數(shù)值模擬模型，對(duì)溫度場(chǎng)進(jìn)行模擬分析。
　　（2）采用模擬所用工藝參數(shù)進(jìn)行 SLM驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，同時(shí)使用比色紅外測(cè)溫系統(tǒng)監(jiān)測(cè)熔覆過(guò)程中的熔池溫度，最后將實(shí)驗(yàn)測(cè)溫結(jié)果與模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比以驗(yàn)證溫

4、度場(chǎng)模擬模型的正確性。
　?。?）分析工藝參數(shù)（激光功率、掃描速度、掃描方式和預(yù)熱等）對(duì)溫度場(chǎng)分布的影響，為SLM實(shí)驗(yàn)提供理論指導(dǎo)。
　?。?）在溫度場(chǎng)數(shù)值模擬結(jié)果的指導(dǎo)下進(jìn)行多層 SLM-Al2O3/ZrO2復(fù)合陶瓷塊體材料的實(shí)驗(yàn)研究，并進(jìn)行試件力學(xué)性能測(cè)試和掃描電鏡觀察。
　　研究結(jié)果：
　　（1）溫度場(chǎng)模擬結(jié)果顯示熔池最高溫度在經(jīng)歷一個(gè)快速升溫過(guò)程后趨于穩(wěn)定，溫度整體呈現(xiàn)上升趨勢(shì)；第一層熔覆層的節(jié)點(diǎn)有兩個(gè)溫

5、度峰值，在激光熔覆第二層時(shí)該層被重熔；溫度場(chǎng)分布云圖顯示未熔覆區(qū)域溫度等值線比已熔覆區(qū)域密集，溫度場(chǎng)呈不對(duì)稱分布。
　?。?）實(shí)驗(yàn)紅外測(cè)溫結(jié)果與模擬結(jié)果對(duì)比發(fā)現(xiàn)兩者誤差在5％以內(nèi)，并且在該參數(shù)下（層高0.5mm，預(yù)熱溫度1723K，激光功率150W，掃描速度40mm/min，光斑直徑10mm）試件表面光滑連續(xù)，但是存在球化現(xiàn)象及較多的裂紋和孔隙。
　?。?）工藝參數(shù)對(duì)溫度場(chǎng)分布的影響如下：
　　1）不同工藝參數(shù)下，熔覆

6、層粉末所形成的熔池最高溫度均經(jīng)歷一個(gè)快速升溫過(guò)程后溫度增速減慢或溫度趨于穩(wěn)定，溫度整體呈現(xiàn)上升趨勢(shì)；
　　2）激光功率由100W升高至200W的過(guò)程中，熔池最高溫度和固-液界面溫度梯度上升；
　　3）掃描速度由5mm/min升高至40mm/min的過(guò)程中，熔池最高溫度和固-液界面溫度梯度下降；
　　4）不同掃描方式對(duì)熔池最高溫度及溫度梯度影響較??；
　　5）不預(yù)熱和低溫預(yù)熱時(shí)固-液界面溫度梯度較高，預(yù)熱至2000

7、K可明顯降低溫度梯度。
　　（4）基于溫度場(chǎng)數(shù)值模擬結(jié)果改變工藝參數(shù)進(jìn)行多層 Al2O3/ZrO2塊體材料的 SLM制備，當(dāng)激光功率較小或掃描速度較大時(shí)，試件層與層之間分離；當(dāng)工藝參數(shù)為層高0.5mm，預(yù)熱溫度2000K，激光功率150W，掃描速度10mm/min，光斑直徑10mm，采取往返掃描方式時(shí)得到的 Al2O3/ZrO2塊體材料良好，在掃描電鏡下未見(jiàn)明顯分層及裂紋，微觀結(jié)構(gòu)良好。
　　結(jié)論：
　　利用 APDL