激光发射的影响参数对机械和铸造纯钛的物理性质

文摘

本研究的目的是调查的影响激光束的机械和物理性能参数对工业纯钛。哑铃状试样(ISO6871)铸造与ASTM等级2和3。铸造表面是laser-treated各种激光发射参数(电流:200、220和240;光斑直径:1.0,1.6毫米;脉冲持续时间:10 1 ms)下氩屏蔽。拉伸试验是由十字头时速1.0毫米/分钟。抗拉强度和延伸率的数据统计分析使用方差分析/图基的测试()。硬度深度概要文件是用激光治疗后横截面的杆状的标本。控制标本没有激光治疗也准备好了。laser-treated标本显示更高的抗拉强度比的控制等级2和3 Ti的标本。标本处理1.0毫米光斑直径表示更高的抗拉强度比处理1.6毫米光斑直径对电流(200和240)。激光治疗降低了地下硬度和75年之间增加了硬度μ米和400μ米深度相比的硬度控制标本。激光表面处理工业纯钛铸件表面改性完整性和显著提高机械和物理性质。

1。介绍

工业纯钛及其合金(CP)已经广泛应用于骨科和牙科植入物因其优异的生物相容性(1- - - - - -3)、高耐蚀性(4,5),固有的vt .骨结合的能力,和较低的弹性模量(杨氏模量)能更好地匹配骨的弹性模量(3,6,7]。CP钛是分为四个类别等级1到4根据他们不同程度的抗拉强度和硬度、氧含量的函数,1级是最韧性(最低抗拉强度和硬度的氧含量0.18%)和至少4级韧性(最高的抗拉强度和硬度的氧含量0.40%)(8]。即使4级纯钛具有最高的强度和硬度,其强度和硬度较低的合金,钛的合金元素修改微观结构导致改进他们的机械和物理性能。在牙科,CP钛及其合金铸制造金属框架个别病人的需求9- - - - - -15]。因为钛有极高的亲和力与氧气在高温时,铸钛表面氧化通常含有耐火材料包含在投资在铸造材料。表面污染层减少铸件表面完整性和诱导硬和脆表面导致力学性能下降(16,疲劳17,穿电阻(18]。

金属锤击的方法来提高金属材料的力学性能和抗疲劳性和被应用在工业19- - - - - -21]。金属表面喷砂的过程中,通常是寒冷的工作,包括锤等机械手段打击和爆破枪(喷丸)。机械喷丸扩大冷金属的表面,引入残余压应力(19,20.)和缓解已经出现的拉应力,并鼓励应变硬化的金属表面21]。锤头表面的残余压应力和拉应力引起的内部的塑性变形的金属表面,增加疲劳和腐蚀抗性的锤头材料。另一个锤击的方法来提高力学性能和抗疲劳性是激光喷丸。激光被广泛用于增强金属表面通过修改表面微观结构为特定阶段如亚稳相、纳米晶体颗粒相(22- - - - - -29日]。激光表面熔化的金属材料应进行控制的惰性气体氩气或氦气的气氛,尤其是钛,以保护它免受污染大气的气体如氧、氮、氢或污染后钛表面能降低表面微观结构的完整性导致力学性能下降。钛表面的微观结构也受加热温度,保持时间,和基板的冷却速度;因此激光消融参数优化以减少缺陷和优化组织(30.]。形态和性质的阶段创建的层表面形成主要依赖于激光光束重叠(31日)和激光强度(27,32和周围的气体的性质24,25,27,29日]。

在先前的研究中,激光治疗铸钛表面可能产生可靠的牙科钛金属框架接口以来显著增强的机械性能可以通过激光治疗33,34]。因此,本研究的目的是调查的影响激光参数(输出电流、光斑直径和脉冲持续时间)的机械和物理性能上商业纯钛。

2。材料和方法

2.1。制备的标本

两种类型的商业纯钛(CP-Ti)被用于这项研究:ASTM 2级(T-alloy M, GC Corp .)、东京、日本)和三年级(T-alloy H, GC Corp .)纯钛锭。哑铃状模式(图1:ISO6871, 18毫米计长度,直径3毫米)和杆模式(8毫米长度和直径3毫米)准备CP-Ti的铸件。CP-Ti被摔magnesia-based投资材料(Selevest CB、Selec有限公司、日本大阪)使用氩弧焊融化/钛离心铸造机(Ticast超级R, Selec有限公司)。铸造后,模具被bench-cooled室温和铸型标本被检索。铸型标本的表面是air-abraded 50μ米艾尔₂O₃颗粒均匀的表面条件。标本是10分钟然后用丙酮超声清洗。

2.2。激光表面处理

激光表面处理应用使用牙科Nd: YAG激光焊接机(田中tll - 7000、小礼帽、德国)使用的参数如表所示1。参数(电流240 A, 10毫秒的脉冲持续时间和光斑直径1.0毫米),产生强大的激光脉冲能量、激光穿透被选为演员和air-abraded钛表面深度0.8 - -1.0毫米(35]。在激光表面处理、氩气保护应用从两个喷嘴设置在一个45度角两边在治疗区域的标本。Single-pulsed激光拍摄的长轴垂直于直线的每个标本为了避免畸形计由于诱导压应力引起的激光。激光脉冲被应用到整个测量表面包括3毫米的扣人心弦的表面和50%重叠,以确保整个测试的表面,如图2。标本,而激光治疗是准备控制。

2.3。拉伸试验和扫描电镜观察

拉伸试验进行了使用万能试验机(英斯特朗公司模式,广州,MA)在十字头1.0毫米/分钟的速度。抗拉强度(MPa)和百分比伸长(断裂与总扩展)记录。数据()统计分析采用方差分析和图基的测试的显著水平。拉伸试验后,断裂表面使用扫描电子显微镜(SEM)观察。

2.4。硬度深度剖析

硬度深度剖面进行了横截面的表面的杆状标本后铸棒进行了相同的激光治疗。维氏硬度depth-profiles包括测量在25岁μ从1000年铸造表面μ与25米的深度μ增加到100μ米和50μ增量为100 - 1000μm。三个测量平均为每个深度。方差分析是统计分析的数据和图基的测试()。

3所示。结果

3.1。拉伸试验结果

抗拉强度和延伸率控制标本(等级2和3)和标本laser-treated各种参数(电流、光斑直径和脉冲持续时间)对激光发射呈现在图3通过图6。当标本laser-treated与三个不同的电流(图3),激光治疗标本显示抗拉强度显著高于控制标本等级2和3的纯钛(Ti)。抗拉强度增加率为2级Ti相比更大的三年级。增加的电流从200年到220年增加了治疗的抗拉强度标本为Ti成绩,此后标本的强度在240年略有下降。激光治疗降低了三年级Ti的总伸长,而稍微增加了二年级的伸长。标本laser-treated与两个不同的点直径(1.0毫米和1.6毫米)也增加了抗拉强度对Ti成绩以恒定脉冲持续时间(10 ms)与电流(图2004)或240(图5)。1.0毫米的标本laser-treated光斑直径表示抗拉强度高于那些laser-treated光斑直径1.6毫米的电流(200和240)。伸长之间类似的控制和光斑直径1.0毫米2级Ti和减少电流(图1.6毫米光斑直径4和5)。三年级Ti减少他们伸长的顺序控制、1.0毫米和1.6毫米光斑直径除了1.6毫米光斑直径在200(图4),显示伸长类似于控制标本。当两个不同的脉冲持续时间(10 ms和1 ms)应用于治疗纯钛的恒定电流220 a和光斑直径1.0毫米,标本处理10毫秒脉冲持续时间显示增加抗拉强度比控制标本,而标本laser-treated与1毫秒脉冲持续时间显示抗拉强度低于控制标本。伸长的结果显示在图获得的结果类似4在恒流测试不同位置的直径(200 a)和脉冲持续时间(10毫秒)。

3.2。硬度深度剖面

硬度深度资料获得控制标本,标本laser-treated各种参数的截面数据所示7,8,9,10。图7演示的硬度深度剖面标本laser-treated与三个不同的电流。在地下控制标本具有非常高的硬度(25μ米和50μ米)在截面面积。激光治疗降低了地下硬度和75年之间增加了硬度μ米和400μ米深度相比的硬度控制标本。大部分硬度(> 400μ米深度)对所有类似条件(控制标本,标本在所有电流)在每一个等级的。注意,三年级的大部分硬度(红线)是高于2级(黑线)面积比400μm。硬度深度的标本处理两种不同的直径和恒定脉冲持续时间(10 ms)呈现在图8(恒流在200 A)和图9(分别为恒定电流为240 A)。更高的次表层硬度25至150μm得到较低的电流(200 A)和大光斑直径(1.6毫米)。laser-affected区域的深度与高硬度增加,光斑直径减少,随着电流强度的增加(数据8和9)。图10介绍了硬度深度的标本处理两种不同的脉冲持续时间与恒流(220)和光斑直径(1.0毫米)。次表层硬度在25岁μm的标本处理1毫秒脉冲持续时间高于控制标本为Ti成绩,和较高的硬度保持到150年μ米深度。10毫秒的脉冲用于治疗时这两个等级的钛,在25次表层硬度μm的标本处理低于控制标本。然而,次表层硬度高硬度维持到350年μ米深度。

3.3。扫描电镜观察断口表面

断裂表面观察到的拉伸试验后证明了图11。地下区域(a2)的控制样品(a1)的典型微结构的乳沟针状骨折骨折铸造纯钛由于投资之间的表面反应层和熔钛铸件。另一方面,laser-treated标本(b1)显示一个兄弟会断裂面在地下(laser-treated)地区(b2)。

4所示。讨论

激光表面处理应用于本研究显然是修改后的表面质量,并导致机械强度增加(数据3通过7)。通常铸造纯钛铸造表面产生坚硬而易脆投资之间的反应生成的物质和熔融钛铸造时,观察到图7和图11。注意控制标本显示很高的硬度在地下(25μ米和50μ米)在截面面积(图7)和脆性断裂方式与解理针状骨折(图11(a2))。表面反应层的厚度取决于投资材料和铸造条件包括大气在铸造单元和铸造方法(压型机、离心机)。铸造金属框架的厚度也会影响表面反应层的厚度(厚框架往往加厚层)的反应。在这项研究中,反应层的厚度可以估计约150 - 200μ米深度的硬度控制标本(图的深度资料7)。激光表面处理降低了地下反应层的硬度和降低硬度之外的反应层维持350 - 400μ米深度(散装硬度大约开始于这一点)。这些硬度变化以及地下微观结构的修改(图11通过激光治疗(图)11)导致改善力学性能。改善力学性能的另一个原因可能是由于试样表面的残余压应力引起的激光治疗。激光可以迅速融化和凝固表面和快速凝固介绍了残余应力在表面。

增加电流高达220的抗拉强度显著增加laser-treated标本为Ti成绩(图3)。但是没有统计学差异抗拉强度在220年和240年对Ti的成绩。原因可能是类似激光穿透深度之间的标本电流220 A和240 A作为2级钛的硬度深度资料显示这些条件(图类似的行为7)。当标本laser-treated与两个不同的点直径(1.0毫米和1.6毫米),拉伸试验的结果相似(图2004)和240年(图5);,标本处理均获得较高的抗拉强度比对待光斑直径1.0毫米直径1.6毫米。试样的抗拉强度laser-treated 240(图5与200年)略高于laser-treated(图4)在每个相应的条件(光斑直径和Ti年级)。激光与小光斑直径和高电流等参数(高激光能量)可以渗透到金属表面比激光光斑直径大、低电流(较低的激光能量)。上面的语句可以确认硬度深度电流(图200的配置文件8)和240年(图9)。标本处理的抗拉强度小光斑直径(1毫米)高于laser-treated大光斑直径(1.6毫米)。另一个原因可以表面激光治疗斑点的数量就增加到覆盖所有互动区。大量的激光点增加表面残余应力,导致机械强度提高。图6证明了脉冲持续时间对拉伸强度的影响的表面处理Ti标本。的标本laser-treated 1毫秒脉冲持续时间较低抗拉强度比的控制标本Ti的成绩。有趣的是,标本laser-treated的次表层硬度1毫秒脉冲持续时间高于控制标本为Ti的成绩。地下高硬度表明,激光表面治疗1毫秒脉冲持续时间的脆性增加表面的抗拉强度和减少导致laser-treated标本。

5。结论

激光表面处理工业纯钛铸件表面改性完整性和显著提高机械性能。从这一研究获得的结果,可以得出以下结论。(1)激光表面处理的高电流(高激光能量)的抗拉强度增加的laser-treated标本220 Ti的成绩。(2)抗拉强度小光斑直径的标本laser-treated高于laser-treated大光斑直径对激光治疗对Ti的成绩。(3)的标本laser-treated 1毫秒脉冲持续时间较低抗拉强度比的控制标本Ti的成绩由于顶面薄淬火相比,10毫秒脉冲持续时间。

利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

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