選擇性激光熔覆氧化鋁-氧化鋯復合陶瓷的溫度場數值模擬和實驗研究.pdf

1、氧化鋁(Al2O3)和氧化鋯(ZrO2)全瓷修復體材料具有優(yōu)良的美學性能及力學性能，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系統進行切削成型后再加工，此方法制作的口腔全瓷修復體具有良好的性能，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的增材制造加工技術，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，嚴重影響了

2、材料性能。
　　研究目的：
　　本實驗建立SLM制備Al2O3/ZrO2復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對溫度場分布的影響，最后將溫度場數值模擬結果作為SLM實驗的理論指導，為制備裂紋較少的Al2O3/ZrO2塊體材料奠定基礎。
　　方法與內容:
　　本實驗利用ANSYS12.1參數化設計語言(ANSYS Parametric Design Language，A

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

4、度場模擬模型的正確性。
　?。?）分析工藝參數（激光功率、掃描速度、掃描方式和預熱等）對溫度場分布的影響，為SLM實驗提供理論指導。
　?。?）在溫度場數值模擬結果的指導下進行多層 SLM-Al2O3/ZrO2復合陶瓷塊體材料的實驗研究，并進行試件力學性能測試和掃描電鏡觀察。
　　研究結果：
　　（1）溫度場模擬結果顯示熔池最高溫度在經歷一個快速升溫過程后趨于穩(wěn)定，溫度整體呈現上升趨勢；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。
　?。?）實驗紅外測溫結果與模擬結果對比發(fā)現兩者誤差在5％以內，并且在該參數下（層高0.5mm，預熱溫度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)，但是存在球化現象及較多的裂紋和孔隙。
　?。?）工藝參數對溫度場分布的影響如下：
　　1）不同工藝參數下，熔覆

6、層粉末所形成的熔池最高溫度均經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??；
　　5）不預熱和低溫預熱時固-液界面溫度梯度較高，預熱至2000

7、K可明顯降低溫度梯度。
　?。?）基于溫度場數值模擬結果改變工藝參數進行多層 Al2O3/ZrO2塊體材料的 SLM制備，當激光功率較小或掃描速度較大時，試件層與層之間分離；當工藝參數為層高0.5mm，預熱溫度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，微觀結構良好。
　　結論：
　　利用 APDL