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不同构建方向激光选区融化钛合金卡环的疲劳性能研究及有限元应力分析
目的 探讨不同构建方向激光选区融化(SLM)钛-6铝-4钒(Ti-6Al-4V)卡环的机械性能并与铸造卡环进行比较.方法 制作3种不同构建方向SLM卡环及铸造卡环共计48个,根据卡环臂长轴与构建方向角度分为SLM0组、SLM45组、SLM90组和铸造组.利用有限元分析的方法分析卡环的应力分布和大应力值.然后利用自制夹具在人工唾液环境下对卡环进行7200次循环摘戴模拟临床使用5年时间来评估卡环的抗疲劳性能.后各组随机选取1个卡环进行三点弯曲使其折断,应用扫描电镜(SEM)对断端进行观察.实验数据使用SPSS 20.0进行处理,设置α=0.05.结果有限元分析发现,卡环的大应力位于卡环固位臂的中段,在0.50 mm倒凹下其大von Mises值远小于Ti-6Al-4V的弹性极限.循环疲劳实验中0.25 mm倒凹下SLM90卡环的抗疲劳性优于铸造卡环(P<0.05),0.50 mm倒凹下SLM90卡环的抗疲劳性优于SLM0、SLM45和铸造组卡环(P<0.05).SEM显示卡环的断裂起始于晶粒之间.结论 SLM试件具有更小的晶粒;SLM组尤其是SLM90卡环的主要是韧性断裂而铸造组卡环为脆性断裂;SLM Ti-6Al-4V卡环可放置于0.50 mm倒凹下,SLM90卡环相较于SLM0、SLM45和铸造组卡环具有更优异的抗疲劳性能,这说明SLM Ti-6Al-4V材料存在明显的各向异性.
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构建方向对SLM钛合金卡环的显微结构及性能影响
目的 探讨不同构建方向对选择性激光熔融(selective laser melting,SLM)法打印Ti-6Al-4V卡环的物理性能的影响,为临床3D打印高精密度及力学性能优良的卡环提供依据.方法 以SLM法分别按0度(SLM0组)、45度(SLM45组)、90度(SLM90组)3种不同构建方向打印Ti-6Al-4V卡环,每组12个;以铸造法铸造卡环12个为对照组;同时铸造4枚金属基牙随机作为上述4组卡环的基牙.用X射线探查各组卡环是否存在裂隙;以共聚焦显微镜检测各组卡环粗糙度、体式显微镜观测各组卡环与金属基牙的密合度;金相显微镜下观察各组样品的显微结构,评估各组试件的物理性能.结果 铸造组卡环存在0～8个肉眼可见的裂隙,而SLM组未见明显缺陷.4组中,表面粗糙度大的是铸造组(18.102±3.762)μm(P<0.05),粗糙度小的是SLM90组(5.942±1.486)μm(P<0.05),SLM0组(8.711±2.378)μm和SLM45组(8.513±1.161)μm间差异没有统计学意义(P>0.05).密合度差的是铸造组(68.445±14.876)(P<0.05),密合度好的是SLM90组(33.417±5.880)μm(P<0.05),SLM0组(52.917±12.102)μm和SLM45组(50.889±7.011)μm之间差异没有统计学意义(P>0.05).Ti-6Al-4V由α+β晶粒组成,其中β晶粒的生长方向大致平行于构建方向且位于α晶粒之间.SLM由细小的晶粒组成,而铸造组晶粒粗大.结论 SLM试件具有更小的晶粒;SLM90组卡环具有较好的密合性和较光滑的内表面.
关键词： 激光选区融化 Ti-6Al-4V卡环 不同构建方向 各向异性 金相
