選擇性激光熔覆氧化鋁-氧化鋯復(fù)合陶瓷的溫度場數(shù)值模擬和實驗研究.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)，加工過程中可以自由成型。但SLM過程中存在成型試件開裂等問題，嚴(yán)重影響了

2、材料性能。
　　研究目的：
　　本實驗建立SLM制備Al2O3/ZrO2復(fù)合陶瓷材料過程中的瞬態(tài)三維溫度場有限元模型，并利用此模型分析溫度場分布以及工藝參數(shù)對溫度場分布的影響，最后將溫度場數(shù)值模擬結(jié)果作為SLM實驗的理論指導(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:
　　本實驗利用ANSYS12.1參數(shù)化設(shè)計語言(ANSYS Parametric Design Language，A

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

4、度場模擬模型的正確性。
　?。?）分析工藝參數(shù)（激光功率、掃描速度、掃描方式和預(yù)熱等）對溫度場分布的影響，為SLM實驗提供理論指導(dǎo)。
　?。?）在溫度場數(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驗研究，并進(jìn)行試件力學(xué)性能測試和掃描電鏡觀察。
　　研究結(jié)果：
　?。?）溫度場模擬結(jié)果顯示熔池最高溫度在經(jīng)歷一個快速升溫過程后趨于穩(wěn)定，溫度整體呈現(xiàn)上升趨勢；第一層熔覆層的節(jié)點有兩個溫

5、度峰值，在激光熔覆第二層時該層被重熔；溫度場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，溫度場呈不對稱分布。
　　（2）實驗紅外測溫結(jié)果與模擬結(jié)果對比發(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)對溫度場分布的影響如下：
　　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)歷一個快速升溫過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；
　　2）激光功率由100W升高至200W的過程中，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）不同掃描方式對熔池最高溫度及溫度梯度影響較小；
　　5）不預(yù)熱和低溫預(yù)熱時固-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，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得到的 Al2O3/ZrO2塊體材料良好，在掃描電鏡下未見明顯分層及裂紋，微觀結(jié)構(gòu)良好。
　　結(jié)論：
　　利用 APDL