齒科用鈦合金粉末粒度對(duì)激光選區(qū)熔化工藝適用性研究

劉睿誠，鄒善方，吳利蘋，曾益?zhèn)?，?強(qiáng)

(成都優(yōu)材科技有限公司，四川 成都 610093)

0 引 言

激光選區(qū)熔化(Selective laser melting，SLM)是一種基于激光熔化金屬粉末的增材制造技術(shù)，能直接制造冶金結(jié)合、組織致密、力學(xué)性能良好、精度高的金屬零部件，廣泛應(yīng)用于航空航天、醫(yī)療、汽車等領(lǐng)域[1-3]。隨著現(xiàn)代計(jì)算機(jī)水平的不斷提高，SLM成形技術(shù)在模型建立、三維重構(gòu)、掃描規(guī)劃等方面越來越成熟，在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)逐漸體現(xiàn)，特別是在口腔醫(yī)療領(lǐng)域中取得了較大程度的臨床應(yīng)用[4]。中山大學(xué)李小宇等[5]研究對(duì)比了SLM加工和鑄造鈷鉻合金的耐蝕性及力學(xué)穩(wěn)定性，發(fā)現(xiàn)SLM加工的鈷鉻合金較鑄造合金耐蝕性更優(yōu)且兩者穩(wěn)定性相當(dāng)。相關(guān)醫(yī)院和重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室[6-8]對(duì)SLM工藝和鑄造工藝加工的鈷鉻合金的金瓷結(jié)合強(qiáng)度進(jìn)行分析對(duì)比，發(fā)現(xiàn)SLM技術(shù)制備的鈷鉻合金金瓷結(jié)合強(qiáng)度優(yōu)于傳統(tǒng)鑄造工藝。西安軍事口腔醫(yī)學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的研究人員[9]研究了SLM技術(shù)制作可摘局部義齒支架的可行性，結(jié)果表明該技術(shù)可行。

鈦合金具有良好的生物力學(xué)性能、生物相容性和耐蝕性，是當(dāng)前最具吸引力的醫(yī)用金屬材料之一[10-11]。同時(shí)，鈦合金還具有對(duì)磁共振成像(MRI)無磁場(chǎng)干擾、在口腔內(nèi)無異味、導(dǎo)熱率低、不易刺激牙神經(jīng)等優(yōu)點(diǎn)，在口腔領(lǐng)域展現(xiàn)了良好的臨床應(yīng)用效果。傳統(tǒng)的鈦合金加工工藝流程較為復(fù)雜且個(gè)性化加工困難，SLM技術(shù)為口腔用鈦合金的加工提供了新的思路，可制作更復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，同時(shí)也為個(gè)性化醫(yī)療提供了契機(jī)。

影響SLM技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵因素主要是成形設(shè)備、控制軟件和成形材料，其中成形材料對(duì)成形質(zhì)量的影響尤為重要，可導(dǎo)致成形件的致密度、表面質(zhì)量和尺寸精度等無法滿足要求，甚至無法順利成形[12]。具體而言，SLM技術(shù)對(duì)粉末材料有組分、粒徑分布和流動(dòng)性等幾個(gè)方面的要求。其中，粉末粒度范圍(PSD)對(duì)SLM工藝成形質(zhì)量的影響尤其關(guān)鍵。開展適用于SLM成形工藝的粉末粒度范圍的研究可以有效地解決加工工藝中材料的問題。為此本研究通過對(duì)粉末進(jìn)行篩分，開展粒度范圍對(duì)SLM成形性能的影響研究，為SLM工藝穩(wěn)定化加工提供有力的支持。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)采用等離子霧化技術(shù)生產(chǎn)的Ti-6Al-4V合金粉末，其純度高，氧含量低，化學(xué)成分如表1所示。

表1 Ti-6Al-4V合金粉末化學(xué)成分(w/%)

Table 1 Chemical composition of Ti-6Al-4V alloy powders

圖1為原材料Ti-6Al-4V合金粉末的SEM照片。從圖中可以看出，原材料粉末的球形度極高，顆粒表面光滑，無明顯缺陷，粉末沒有團(tuán)聚且衛(wèi)星球數(shù)量較少，從而從原材料端規(guī)避了衛(wèi)星球、球形度等因素對(duì)SLM成形效果的影響。采用100目(150 μm)、140目(106 μm)、270目(53 μm)、800目(15 μm)的篩網(wǎng)對(duì)Ti-6Al-4V合金粉末進(jìn)行分級(jí)篩選，得到106～150 μm(A組)、53～106 μm(B組)、15～53 μm(C組)、0～15 μm(D組)4組不同粒度范圍的鈦合金粉末。

圖1 原材料粉末的SEM照片F(xiàn)ig.1 SEM morphology of the raw material powders

1.2 粉末粒度及霍爾流速測(cè)試

篩網(wǎng)目數(shù)只能大致表征粉末的粒度范圍，因此對(duì)粉末進(jìn)行粒度分析，采用BT-9300S激光粒度分析儀對(duì)分級(jí)后的粉末進(jìn)行粒度測(cè)試，通過D10和D90的值來準(zhǔn)確說明粉末的粒度分布。

采用BT-200霍爾流速計(jì)測(cè)量不同粒度范圍粉末的流速，并對(duì)流速進(jìn)行分析對(duì)比，以此來評(píng)價(jià)粉末的流動(dòng)性。

1.3 激光成形

采用成都優(yōu)材科技有限公司激光3D打印中心的EOS M280設(shè)備對(duì)不同粒度范圍的鈦合金粉末進(jìn)行加工。為了控制成形過程中的工藝變量，采用了優(yōu)化后的鈦合金加工參數(shù)：激光功率 320 W，掃描速度 1 400 mm/s，掃描間距 0.14 mm，層厚 0.03 mm，光斑補(bǔ)償值 0.11 mm。

1.4 力學(xué)性能測(cè)試及形貌觀察

采用萬能材料試驗(yàn)機(jī)分別對(duì)SLM工藝成形的拉伸件和鑄造Ti-6Al-4V合金拉伸件進(jìn)行力學(xué)性能測(cè)試。采用萊卡體視顯微鏡對(duì)SLM成形件的表面及截面形貌進(jìn)行觀察。

2 結(jié)果與分析

2.1 粉末粒度

通過對(duì)A、B、C、D組鈦合金粉末樣品進(jìn)行粒度測(cè)試，得到每個(gè)粒度范圍粉末的D10和D90值，結(jié)果見表2。

表2不同粒度范圍的粉末D10和D90值(μm)

Table 2 D10 and D90 of powders with different PSD

從表中可以看出，通過粉末分級(jí)，所得到的粒度范圍端值D10、D90都在該粒度范圍內(nèi)，說明通過不同目數(shù)的篩網(wǎng)進(jìn)行篩分，實(shí)現(xiàn)了粉末的精確分級(jí)。

2.2 粉末流動(dòng)性

采用霍爾流速計(jì)測(cè)試A、B、C、D組粉末的流動(dòng)速度，結(jié)果見表3。

表3不同粒度范圍粉末的流速(s/50 g)

Table 3 Flow rate of powders with different PSD

從表3可以看出，A、B、C組粉末均有較好的流動(dòng)性，且相差不是很大，都可以滿足SLM成形對(duì)鋪粉的要求。而D組粉末無法從霍爾流速計(jì)中的漏斗中流出，無法測(cè)出流速，說明D組粉末的流動(dòng)性很差，不適合用SLM工藝成形。

2.3 成形質(zhì)量分析

將A、B、C、D組粉末分別放入EOS M280金屬粉末成形設(shè)備中進(jìn)行SLM成形，其中D組粉末流動(dòng)性較差，鋪粉時(shí)粘粉現(xiàn)象嚴(yán)重，粉層不均勻，無法順利成形。圖2為A、B、C 3組粉末成形件的表面形貌照片。

圖2 不同粒度范圍的粉末成形件表面形貌照片F(xiàn)ig.2 Surface morphologies of powders with different PSD: (a)group A;(b)group B;(c)group C

從圖2可以看出，A組和B組粉末成形件的表面呈現(xiàn)散沙狀，分布有很多細(xì)沙狀的顆粒，粗糙不平；C組粉末成形件表面由連續(xù)熔道搭接而成，有金屬光澤。

圖3為不同粒度范圍粉末的成形熔道圖片。從圖3a、3b中可以看出，A組和B組粉末成形時(shí)，均沒有被完全熔化，表面出現(xiàn)凹凸不平的燒結(jié)態(tài)，沒有連續(xù)的熔道，部分被熔化的粉末由于對(duì)固態(tài)基體的潤(rùn)濕性不好，因此球化現(xiàn)象比較嚴(yán)重。說明粒度范圍為53～150 μm的粉末成形性較差。這是因?yàn)镾LM工藝成形過程中，激光掃描時(shí)會(huì)造成比較大的溫度梯度，熔池中心溫度高達(dá)3 000 K，以熔池為中心半徑40 μm之外，溫度又迅速降到500～1 000 K。如果粉末直徑較大，距離熔池較遠(yuǎn)的區(qū)域粉末無法完全熔化，部分被熔化的粉末對(duì)固態(tài)基體的潤(rùn)濕性不好，由于表面能的影響，會(huì)發(fā)生球化，未與基體粘結(jié)在一起，造成熔道的不連續(xù)；未熔化的粉末會(huì)粘結(jié)在熔道上，形成一個(gè)個(gè)小突起，引起該層的粗糙度增加，在下一層鋪粉時(shí)，這些小突起會(huì)造成彈粉現(xiàn)象，小突起的相鄰區(qū)域無法鋪上粉末，這些凸起層層累積，造成表面粗糙度急劇增加，最終導(dǎo)致鋪粉無法進(jìn)行，成形失敗。

圖3 不同粒度范圍粉末的成形熔道圖片F(xiàn)ig.3 Cladding of powders with different PSD: (a)group A;(b)group B;(c)group C

從圖3c可以看出，C組粉末的成形熔道連續(xù)平滑，搭接良好，熔道邊緣沒有粉末粘附，也無其他任何缺陷，因此該組粉末熔化效果良好，成形質(zhì)量較高。說明粒度范圍為15～53 μm粉末具有良好的成形性。

圖4為C組粉末成形件橫截面磨光后的光學(xué)照片。從圖4可以看出，成形件內(nèi)部沒有明顯缺陷，孔洞非常少，且孔洞尺寸<50 μm。

圖4 C組粉末成形件橫截面光學(xué)照片F(xiàn)ig.4 Optical photograph of cross section for component processed by group C powders

2.4 成形件力學(xué)性能

采用C組粉末成形標(biāo)準(zhǔn)拉伸件，進(jìn)行力學(xué)性能測(cè)試，并與傳統(tǒng)鑄造TC4鈦合金的力學(xué)性能進(jìn)行對(duì)比。圖5為不同成形件的拉伸曲線，表4為力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果。

圖5 不同試樣的拉伸曲線Fig.5 The load-extension curves of different specimens： (a)SLM samples；(b)casting samples

Table 4 Comparison of mechanical properties between SLM formation and castings

從圖5可以看出，SLM成形件的拉伸曲線有明顯的塑性變形區(qū)，而鑄造件的拉伸曲線幾乎沒有塑性變形區(qū)，應(yīng)力達(dá)到最高點(diǎn)時(shí)直接斷裂。從表4可以看出，SLM成形件力學(xué)性能的各個(gè)參數(shù)均高于鑄造件，也從側(cè)面說明C組的粉末適用于SLM工藝成形。

2.5 應(yīng)用實(shí)例

圖6是采用C組鈦合金粉末成形的齒科修復(fù)體?？梢钥闯?，修復(fù)體的結(jié)構(gòu)致密，表面光滑，精度完全符合口腔修復(fù)的臨床要求。也進(jìn)一步驗(yàn)證了這個(gè)粉末粒度范圍的鈦合金粉末適用于激光選區(qū)熔化工藝加工齒科修復(fù)體。

圖6 采用C組鈦合金粉末加工的齒科修復(fù)體Fig.6 Dental prosthesis manufactured by group C titanium powders

3 結(jié) 論

(1)鈦合金粉末粒度范圍為53～150 μm時(shí)，粉末粒度較大，激光能量無法完全熔化，SLM成形件的表面分布很多細(xì)沙狀的顆粒，粗糙不平。

(2)粉末粒度范圍為0～15 μm時(shí)，粉末粒度太小，無法有效鋪粉，不能順利激光成形。

(3)粉末粒度范圍為15～53 μm時(shí)，粉末粒度適合SLM工藝，熔道連續(xù)無缺陷，成形件表面光滑平整，有金屬光澤。

(4)粒度范圍為15～53 μm的粉末成形的樣件內(nèi)部沒有明顯缺陷，力學(xué)性能優(yōu)于傳統(tǒng)鑄造樣件的性能。該粒度范圍的齒科用鈦合金粉末適用于激光選區(qū)熔化工藝。

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2017年中國(guó)鈦、鋯產(chǎn)品進(jìn)出口統(tǒng)計(jì)