《生物陶瓷選區雷射熔融成形機理研究》是依託南京理工大學，由劉婷婷擔任項目負責人的面上項目。
基本介紹
- 中文名：生物陶瓷選區雷射熔融成形機理研究
- 項目類別：面上項目
- 項目負責人：劉婷婷
- 依託單位：南京理工大學
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
生物陶瓷正在取代樹脂、金屬材料成為新的主流修復體材料,其SLM技術是最具套用前景的新一代口腔修復體數位化加工技術，基礎理論亟待突破。針對生物陶瓷脆性較大、對應力和裂紋敏感及SLM急熱急冷的加工特點，本項目基於Brook晶粒生長理論，結合有限元方法，並與實驗數據分析相驗證，探索生物陶瓷SLM成形過程中相變過程和組織結構演化機理；採用紅外測溫儀、CMOS高速相機監測熔池，結合有限元溫度場、應力場分析建立熔池流動與分配模型以及應力-微觀結構轉變模型；採用感應預熱、雷射輻照預熱等方式，構建多個低溫度梯度溫度場，結合理論分析，揭示生物陶瓷SLM成形裂紋產生機理，提出裂紋抑制方法；對切層邊緣線特徵進行分類，重點考慮熱傳導，研究邊緣線特性對成形件表面質量的影響；採用GA-BP算法，在大量實驗基礎上建立生物陶瓷SLM成形件質量預測模型，形成成形工藝最佳化方法，為生物陶瓷SLM裝備研製提供基礎理論支撐。
結題摘要
陶瓷材料 SLM 技術研究尚處在起步階段,本項目探索陶瓷材料SLM成形過程中微觀組織及其演變規律，揭示陶瓷材料成形機理，提出裂紋抑制方法，研究陶瓷材料成形工藝最佳化方法。 項目在自主研製的國內首套支持熔池監測、集成自主軟體的陶瓷SLM成形試驗平台上，開展系列試驗，並結合熔池監測數據、有限元分析方法，形成以下重要結果： a、通過ZrO2、Al2O3粉末在無預熱和高溫預熱下的SLM成形試驗、Al2O3漿料變功率SLM成形、Al2O3-MgO混粉成形試驗，認為高溫預熱能夠降低雷射對冷粉末產生的熱衝擊，減小材料內部熱應力，減少裂紋的產生；漿料比粉末具有更好的成形質量；在Al2O3中加入少量MgO，所需的能量遠遠低於純Al2O3，能夠抑制了Al2O3晶粒的異常長大並抑制裂紋；Al2O3陶瓷SLM試樣主要為柱狀晶結構，加入氧化鋯可以製備等軸晶，調節掃描速度，可以實現晶粒生長方向的控制。 b、雷射功率和掃描速度是影響陶瓷粉末熔化狀態、成形件表面質量的主要因素。雷射功率200 W，掃描速度90 mm/s時，獲得Al2O3接近全緻密試樣，無明顯裂紋產生，微觀晶粒組織均勻，顯微維氏硬度均值在14.7 GPa左右，已接近傳統燒結製備的Al2O3硬度數值。 c、溫度場仿真分析結合試驗研究，發現熔池最高溫度越高，熔池降溫速率越大；隨著雷射功率的增加或者掃描速率的降低，熔池的尺寸逐漸增大；當X方向溫度梯度較高時，水平馬蘭戈尼效應占主要影響，試件表面呈凝固結構呈條狀。 d、應力場仿真分析顯示，島式掃描比單向掃描獲得更小的應力極值以及應力分布區間；“島域”劃分的越細，其應力最大值越小，有助於抑制裂紋和變形的發生；結合較高的預熱溫度，試件可以獲得與較高雷射能量密度工藝參數下相同甚至更高的成形溫度，同時承受更小的熱應力。 e、陶瓷SLM成形過程中主要存在“平行裂紋”和“垂直裂紋”，多表現為沿晶斷裂，極高的溫度梯度和雷射不斷重複加熱的熱震作用，是產生“垂直裂紋”的主要原因，而“平行裂紋”主要是由凝固裂紋擴展而來。
