基于SLM的梯度多孔牙种植体力学特性

目的 确定既满足强度要求又能够有良好长期稳定性的梯度多孔牙种植体最佳孔隙值。方法 设计4组不同孔隙率(G30、G40、G50、G60)的梯度多孔结构样件及均质多孔样件S30,选区激光熔化(SLM)成型后通过准静态压缩试验对其力学性能进行研究,测量出样件的弹性模量和屈服强度。通过有限元分析评估不同孔隙率种植体及对应下颌骨组织的应力分布。结果 相较于实体钛合金结构(110 GPa),多孔结构的弹性模量(13.47~15.88 GPa)已完全符合人体自然骨组织(2~20 GPa)范围,多孔结构屈服强度(484.81~834.47 MPa)远高于皮质骨(180.5~211.7 MPa);梯度多孔结构样件弹性模量相较于均质多孔结构略有提升,屈服强度(834.47 MPa)比均质多孔结构样件(730.56 MPa)提高了约14%。梯度多孔种植体周围皮质骨最大等效应力值分布在43.362 9~45.015 4 MPa之间,松质骨最大等效应力值分布在4.756 58~ 5.055 6 MPa之间,完全满足2~60 MPa范围内的最大应力,适合骨组织生长。种植体与下颌骨之间的应力差值随着孔隙率的增大而逐渐变大,孔隙率为30%的TPMS–G型梯度多孔牙种植体与下颌骨应力差值最小,生物力学特性最佳,有利于形成稳定的骨整合。结论 通过试验及仿真模拟,确定了适用于种植体的最佳梯度多孔结构,既满足强度要求,又具有良好的长期稳定性。     

SLM成形薄壁件尺寸偏差预测与控制研究

目的 针对选区激光熔化成形薄壁件过程中存在的变形较大、精度低等问题,通过获得最优工艺参数区间来减小薄壁件的变形。方法 利用有限元软件分析薄壁件成形过程中温度场和应力场的演化规律;建立形变量预测模型并进行试验验证,研究工艺参数对薄壁件尺寸偏差的影响,得到激光功率、扫描速度与形变量之间的关系,实现对形变量的预测和控制。结果 随着扫描层数的增加,熔池的最高温度和热影响区也随之增大,等温线越密集,温度梯度越大,最终趋于稳定;薄壁件成形过程中,出现两侧壁边缘向内倾斜、上侧边缘出现内凹的现象,薄壁件的最大应力随层数的增加而减小,最大热应力主要分布在薄壁件底层的两端;形变量随激光功率的增大而增大,随扫描速度的增大而减小,薄壁件的形变量最小约为0.02 mm;试验验证所建立的数学模型误差在10%左右,误差较小,可以对形变量进行良好的预测和控制。结论 激光功率100～200 W、扫描速度800～1 000 mm/s为最优参数区间;降低能量密度可以有效降低薄壁件形变量,提高其精度。     

立上电弧增材制造板件的成形精度影响与优化

目的 针对悬臂结构立焊位置成形质量差的问题,本研究旨在探究电弧增材制造工艺参数对悬臂结构多道搭接质量及组织的影响规律,以实现悬臂结构工艺参数的预测与优化,从而提高多道搭接焊道表面质量与内部组织性能。方法 采用响应面Box-Behnken方法,分析焊接电流、焊接电压和偏移量对焊接接头成形与性能的影响规律,建立了工艺参数与焊接接头响应指标的数学模型。结果 试验结果表明,表面平整度与焊接电压成正比,与搭接率成反比;偏移量的增加先使总高减小,然后有所增加,而焊接电流与总高成正比;偏心率与焊接电流成正比,与搭接率成反比。以平整度大、总高大、偏心率接近于1为优化目标,最佳工艺参数为电流85.4 A,电压22 V,偏移量为3 mm。与预测值相比较,实际值的平整度、总高和偏心率的误差率分别为0.48%、4.40%和1.89%。研究还探究了单道多层焊接接头组织性能与工艺参数的关系,发现了焊接热影响重合区组织细化的现象。结论 研究结果验证了所构建数学模型的可靠性,对改善高难度悬臂结构制造的形貌以及提高成形质量具有重要的指导意义。     

斜面多道熔覆涂层平整度的数值模拟与试验研究

目的 揭示扫描方式、基材倾角、搭接率对斜面熔池成形的影响规律,提高斜面多道搭接涂层的平整度。方法 采用数值模拟探究激光扫描方式、基材倾斜角度、搭接率对倾斜基材表面熔覆涂层平整度的影响机理,并结合正交试验进行验证。结果 模拟所得平整度随扫描方式、倾斜角度、搭接率变化规律与试验一致。激光扫描方式对水平基材的多道搭接平整度无明显影响,但对倾斜基材表面的多道平整度影响显著。相同扫描方式下,不同倾斜角度的基材适应的搭接率不同。结论 相比其他扫描方式,扫描方式1(SM1)和扫描方式5(SM5)得到的熔覆层平整度和熔覆效率相对较高。平整度和熔覆效率随基材倾斜角度的增大而逐渐减小。以扫描方式5进行熔覆时,水平基材最佳搭接率为30%,基材倾斜40°时最合适的搭接率为15%～20%。显然,倾斜角度和搭接率的交互作用对平整度影响显著。     

选区激光熔化Ti6Al4V梯度多孔结构工艺优化

目的 获得成形质量良好的医用梯度多孔金属种植体。方法 基于响应面法（RSM）建立选区激光熔化成形工艺参数（激光功率、扫描速度及扫描间距）与样件致密度、表面粗糙度及孔隙率差值的数学模型。利用获取的致密度、表面粗糙度和孔隙率差值对样件成形质量进行表征,通过响应面方差分析获取SLM不同成形工艺参数对样件致密度、表面粗糙度和孔隙率差值的影响,得到成形质量最佳的工艺参数。结果 样件成形质量最佳的SLM成形工艺参数如下：激光功率为240 W,扫描速度为1 400 mm/s,扫描间距为0.08 mm。优化后样件成形质量的预测值如下：致密度为97.97%,表面粗糙度均值为6.88μm,孔隙率差值为2.97%。试验结果表明,预测值与试验值基本吻合,所建立的数学模型可以准确预测样件成形质量。结论 通过响应面法试验设计及方差回归分析,确定了Ti6Al4V梯度多孔金属种植体SLM成形的最佳工艺参数。     

斜面激光熔覆粉末流场及光粉耦合机理研究

目的 扩展增材制造在斜面复杂零部件修复领域的应用,弥补倾斜熔覆过程中粉末流动行为研究的空缺。方法 采用RSM进行模拟方案设计与数据处理,通过拟合输入参数与输出之间的数学模型,探究送粉电压、气流量、基体倾斜角度对倾斜基体上粉末浓度和粉斑直径的影响规律。结合数值模拟和试验研究对光粉耦合机理进行分析,探究光粉平衡关系对涂层形貌的影响机理。结果 粉末颗粒速度随气流量的增加而增大;倾斜基体上最大粉末浓度随气流量的增大而降低,随送粉电压的增大而增高;倾斜基体上的粉斑直径随基体倾斜角度和气流量的增大而增大。以倾斜基体上的粉末浓度最大、倾斜基体上的粉斑直径最小为优化目标,0°、10°、20°、30°倾斜基体上最大粉末浓度模拟值与预测值的误差分别为4.34%、3.61%、5.82%、13.15%,基体上粉斑直径模拟值与预测值的误差分别为2.95%、3.22%、3.57%、4.10%,说明该模型对倾斜基体上最大粉末浓度及粉斑直径的预测精度较高。结论 气流量对粉末颗粒速度影响显著,送粉电压、气流量对基体上最大粉末浓度的影响显著,倾斜角度、倾斜角度与气流量的交互项对倾斜基体上的粉斑直径影响显著。研究结果为激光...     

激光熔覆(Ni60+NbC)+h-BN@Cu涂层组织与性能研究

目的 通过添加铜包覆六方氮化硼(h-BN@Cu)粉末,改善激光熔覆Ni基NbC涂层的性能。方法 采用激光熔覆技术,使用添加不同质量分数铜包覆六方氮化硼的镍基碳化铌复合粉末,在45钢基体表面沉积镍基复合涂层。利用扫描电子显微镜(SEM)和X射线衍射(XRD)设备,研究h-BN@Cu对Ni60/NbC的激光熔覆镍基复合涂层微观结构的影响,利用显微硬度计和布鲁克UMT-2摩擦磨损试验机及白光干涉模块,测量熔覆层的显微硬度、摩擦磨损系数和磨痕宽度。结果 熔覆层中的主相为Ni-Cr-Fe,除此之外还存在FeNi3、CrB、M7C3、NbC、M23C6、Cr2Nb等多种相。研究发现,添加的润滑相h-BN@Cu与硬质相NbC会发生部分分解,Nb原子和B原子进入熔池,与熔池中的Cr原子反应,生成CrB、Cr2Nb等,这些金属间化合物具有硬度高、耐磨性好等特点。当h-BN@Cu的质量分数为10%时,熔覆层的显微硬度为650HV1.0,摩擦系数为0.4,磨痕宽度为0.406 mm。结论 相比于不添加h-BN@Cu的Ni60/NbC熔覆层,添加h-BN@Cu的Ni60/NbC熔覆层的平均硬度略微下降,但熔覆层硬质相分布更加均匀,此时硬度仍为45钢基体硬度的3.1倍,摩擦系数降低约27%,磨痕宽度减小约21%。     

基于SLM的髋臼杯多孔结构设计与力学性能分析

目的 获得长期稳定性更优的医用多孔髋臼杯。方法 利用三周期极小曲面方法设计出更适合应用于髋臼杯的多孔结构,采用选区激光熔化方法进行加工成形。对样件进行测量得到其力学性能参数。对得到的弹性模量、屈服强度进行分析,得出不同结构的变形模型及设计参数对多孔结构力学性能的影响,选择力学性能和生物相容性均符合髋臼杯多孔需求的一组多孔结构。结果 制造出的多孔结构弹性模量为3.27~7.44 GPa,屈服强度为164.84~407.21 MPa。试验结果表明,TPMS设计的多孔结构力学性能优良,除了70%与75%孔隙率的P结构之外,均可以在力学性能上满足髋臼杯的制造。从变形模式看,P结构变形模式以拉伸为主,G结构与D结构为混合模式变形。其中,G结构设计参数对多孔样件的力学性能影响最大。结论 得到最适合制造髋臼杯多孔结构的是TPMS的G结构,并将G结构应用于髋臼杯的三维模型中。     

Y_(2)O_(3)含量对激光熔覆镍基复合涂层组织与性能的影响北大核心CSCD

针对Ni60+NbC+h-BN@Cu复合涂层开裂行为明显,硬度、耐磨性不足等问题,利用Y_(2)O_(3)的化学活性强、原子结构特殊的性能,采用激光熔覆技术在45钢表面制备了添加不同含量Y_(2)O_(3)的镍基涂层。使用着色探伤试验检测涂层的裂纹数量,通过X射线衍射仪(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、显微硬度计和摩擦磨损试验机等设备,系统地分析并研究了不同Y_(2)O_(3)含量对熔覆层的物相组成、微观组织、显微硬度以及摩擦磨损性能的影响。结果表明:Y_(2)O_(3)的添加,起到了消除涂层表面的裂纹的作用,一定量的Y_(2)O_(3)可完全消除裂纹缺陷。不同Y_(2)O_(3)含量的涂层的相组成没有发生明显变化,主要由Ni-Cr-Fe、FeNi_(3)、M_(23)C_6、M_7C_6、NbC、CrB、h-BN、Cr_(2)Nb组成。Y_(2)O_(3)的添加提高了形核速率,明显细化了熔覆层的显微组织。当Y_(2)O_(3)的质量分数为1%时,熔覆层的显微硬度为770 HV_(1.0),摩擦系数为0.3,磨痕宽度为0.322 mm,相比于未添加Y_(2)O_(3)的熔覆层,硬度提升了18.4%,摩擦系数减小了0.1,磨痕宽度减小了0.084 mm。研究结果为制备性能优良的镍基复合涂层提供了参考。