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3D打印Ti-6Al-4V(TC4)钛合金的机械性能

发布时间 :2021-03-03 11:03:33 浏览次数 :

钛及钛合金比重小、强度高,具有良好的生物相容性,能够减轻义齿的重量且有利于余留组织的健康,是较理想的齿科用金属材料,但纯钛的强度较低,耐磨性差,其性能用于活动义齿修复略显不足。合金化的钛能够获得较高的强度和较好的加工性能,改善其在活动义齿修复中的应用。3D打印以数字化技术代替传统加工工艺,简化义齿加工工艺流程,在保证产品同质性的前提下,成型快、精度高,且材料浪费少,节约了时间与成本。

医用钛丝

3D金属打印采用铺粉的方式,逐层熔覆金属,避免了铸造缺陷的发生,实现材料更好的生物力学性能和结构减重,能够尽量减小活动义齿面积,增加患者的舒适感。作为替代传统铸造技术的新型数字化加工技术,3D打印出的材料机械性能直接关系到活动义齿支架设计,因此本研究对3D打印Ti-6Al-4V合金材料性能进行分析,评价其应用于口腔修复体制作的可行性。

1、材料与方法

1.1 材料与设备

金属3D打印机:Conceptlaser LaserCUSING MlabR,美国;拉伸试样机:Instron3367,美国;扫描电子显微镜:日立S-4800场发射扫描电镜,日本;金相显微镜:奥林巴斯BM51M金相显微镜,日本;摩擦磨损试验机:MMW—l型立式万能摩擦磨损试验机,济南;电子天平:AR224CN型电子天平,美国;超声波清洁器:CQ50型超声波清洁器,上海。

1.2 方法

1.2.1 3D打印Ti-6Al-4V合金试件制备根据国家标准GB228-2010,设计非比例拉伸试样,总长51mm,宽14mm,厚1.5mm,缩窄部长10 mm,宽5mm,与夹持部弧形相接,生成3D模型并导入金属3D打印机中,使用Ti-6Al-4V合金材料粉采取选择性激光熔铸(Selective Laser Melting,SLM)方式成型(图1)。

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热处理条件:氩惰性环境中以800℃(1470°F)的温度进行4h的处理。

图1 拉伸试样3D数字化图样

1.2.2 3D打印Ti-6Al-4V合金机械性能测试

经水砂纸打磨抛光至表面光洁,X线探伤后选用6个内部无孔试样,在拉伸机上进行抗拉强度、屈服强度、延伸率测试。将断裂后的断口进行扫描电镜的观察。

1.2.3 显微组织观察

取边长为14 mm,厚度为1.5 mm的试样,自动镶样机镶样,采用金相砂纸由400目逐级打磨至2000目,抛光液抛光。采用氢氟酸和硝酸混合水溶液进行轻度腐蚀,在金相显微镜下放大200倍进行显微结构观察。

1.2.4 摩擦磨损性能测试

取拉伸测试后废弃试件部分,制成规格为2mm×2mm×1.5mm的试样6个作为实验组。将试样喷砂,依次用600、1000、1200、1500目氧化铝砂纸打磨,120目石英砂糊剂抛光,超声清洗20分钟备用。采用正畸拔除的健康完整上颌第一双尖牙,使用高速手机磨改,制作2 mm×2 mm釉质平面试样6个,剩余高度用自凝塑料恢复作为对照组。滑石瓷(江苏省海门市天补高频陶瓷厂)作为对磨物,分别以3D打印Ti-6Al-4V合金试样及牙釉质试样与对磨物滑石瓷组成摩擦副。采用ISO/TR10271标准制备人工唾液,并进行磨耗测试。试验参数:载荷Fn=20 N,转速150 r/min,循环次数20000次,试验温度37℃,pH=6.8。测试完毕对各被测试件进行冲洗、干燥、称量,计算磨耗后的体积差值。

2、结 果

2.1 机械性能结果(见表1)

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2.3 断口形貌

试样断口处可见明显颈缩现象。试样断口电镜结果显示,断口呈现韧性断裂特征,高倍照片可见韧窝状花样形貌(见图2、3)。

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2.4 金相显微结构

基体为体心立方(bcc)结构的β相,针状相为密堆六方(hcp)结构的α相(图4、5)

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3、讨论

Ti-6Al-4V合金因金属离子的释出使其应用于口腔中的生物安全性问题一直备受关注。李军等人对Ti-6Al-4V合金进行的细胞毒性实验表面,Ti-6Al-4V合金细胞增值率为100%,细胞毒性为0,表明其应用于口腔中具有较好的生物安全性。Vu等人研究证明,Ti-6Al-4V合金具有较好的生物相容性,能够应用于人体。因此,Ti-6Al-4V合金能够满足口腔修复体应用的生物安全性问题。

由于钛的熔点高、化学性质不稳定、密度小、铸流率低等原因,其铸造较为困难。随着CAD/CAM技术的应用,修复体加工进入数字化阶段,但其切削的加工方式造成原材料大量浪费以及刀具的磨耗,导致加工成本增加。SLM技术在全程惰性气体保护下进行,采用铺粉的方式,逐层熔覆金属,避免了切削制造过程中带来的浪费和不必要污染,且成型的金属具有接近100%的密度、较高的尺寸精度,避免了传统铸造技术的不足,保证了材料的机械性能。本研究中3D打印Ti-6Al-4V合金抗拉强度、屈服强度、延伸率均显著超过传统修复用Ti-6Al-4V合金机械性能,可使制作修复体时在保证强度的前提下,适当减少修复体体积及尺寸。颈缩是对材料塑性大小的直接反映,颈缩越大,材料的塑性就越好。3D打印Ti-6Al-4V合金断口成明显的颈缩现象,且断口电镜显示成韧性断裂,高倍镜下可见韧窝结构,表面该材料塑性良好,可满足口腔修复体制作要求。合金的晶粒结构与合金的机械性能密切相关,3D打印Ti-6Al-4V合金试样内部组织金相结构显示呈α+β相,表面该合金具有良好的综合性能且组织稳定性好,有良好的韧性和塑性。修复材料的耐磨性直接关系着其使用寿命及性能,本研究测得3D打印Ti-6Al-4V合金磨损量明显高于天然牙牙釉质,表明其具有较好的耐磨性,在口内行使功能时可抵抗咀嚼所造成的修复体表面摩擦,但当对颌为天然牙时,其较高的耐磨性会造成天然牙列的磨耗磨损。

上述说明,3D打印技术能够保证纯钛合金化后的机械性能,满足修复体制作所需的强度和延伸性,在活动义齿设计中能够减小基托面积,减轻修复体重量以增加患者戴用的舒适感。

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