不同构建方向激光选区融化钛合金卡环的疲劳性能研究及有限元应力分析

doi:10.3877/cma.j.issn.1674-1366.2018.05.002

中华口腔医学研究杂志(电子版) ›› 2018, Vol. 12 ›› Issue (05) : 271 -277. doi: 10.3877/cma.j.issn.1674-1366.2018.05.002

所属专题：文献；

基础研究

不同构建方向激光选区融化钛合金卡环的疲劳性能研究及有限元应力分析

谢文强¹, 王洁琪², 郑美华²^,^†(

), 李小宇³, 张雯⁴, 韦佩伶⁵

^1. 510120　广州，中山大学孙逸仙纪念医院口腔科；510080　广州，广东省口腔医学重点实验室
^2. 510120　广州，中山大学孙逸仙纪念医院口腔科
^3. 511436　广州医科大学·附属口腔医院口腔种植科
^4. 510095　广州，广东省第二中医院口腔科
^5. 545006　柳州市人民医院口腔科

收稿日期:2018-05-14 出版日期:2018-10-01
通信作者: 郑美华

Fatigue property investigating and finite element stress analysis of Ti alloys clasps by selective laser melting in different build orientations

Wenqiang Xie¹, Jieqi Wang², Meihua Zheng²^,^†(), Xiaoyu Li³, Wen Zhang⁴, Peiling Wei⁵

^1. Department of Stomatology, Sun Yat-sen Memorial Hospital, Sun Yat-sen University, Guangzhou 510120, China; Guangdong Provincial Key Laboratory of Stomatology, Guangzhou 510080, China
^2. Department of Stomatology, Sun Yat-sen Memorial Hospital, Sun Yat-sen University, Guangzhou 510120, China
^3. Stomatology Hospital of Guangzhou Medical University, Guangzhou 511436, China
^4. Department of Stomatology, The Second Hospital of Traditional Chinese Medicine of Guangdong Province, Guangzhou 510095, China
^5. Department of Stomatology, Liuzhou People′s Hospital, Liuzhou 545006, China

Received:2018-05-14 Published:2018-10-01
Corresponding author: Meihua Zheng
About author:
Corresponding author: Zheng Meihua, Email: gzzhengm@sina.com

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引用本文：

谢文强, 王洁琪, 郑美华, 李小宇, 张雯, 韦佩伶. 不同构建方向激光选区融化钛合金卡环的疲劳性能研究及有限元应力分析[J]. 中华口腔医学研究杂志(电子版), 2018, 12(05): 271-277.

Wenqiang Xie, Jieqi Wang, Meihua Zheng, Xiaoyu Li, Wen Zhang, Peiling Wei. Fatigue property investigating and finite element stress analysis of Ti alloys clasps by selective laser melting in different build orientations[J]. Chinese Journal of Stomatological Research(Electronic Edition), 2018, 12(05): 271-277.

目的

探讨不同构建方向激光选区融化（SLM）钛-6铝-4钒（Ti-6Al-4V）卡环的机械性能并与铸造卡环进行比较。

方法

制作3种不同构建方向SLM卡环及铸造卡环共计48个，根据卡环臂长轴与构建方向角度分为SLM0组、SLM45组、SLM90组和铸造组。利用有限元分析的方法分析卡环的应力分布和最大应力值。然后利用自制夹具在人工唾液环境下对卡环进行7200次循环摘戴模拟临床使用5年时间来评估卡环的抗疲劳性能。最后各组随机选取1个卡环进行三点弯曲使其折断，应用扫描电镜（SEM）对断端进行观察。实验数据使用SPSS 20.0进行处理，设置α = 0.05。

结果

有限元分析发现，卡环的最大应力位于卡环固位臂的中段，在0.50 mm倒凹下其最大von Mises值远小于Ti-6Al-4V的弹性极限。循环疲劳实验中0.25 mm倒凹下SLM90卡环的抗疲劳性优于铸造卡环（P<0.05），0.50 mm倒凹下SLM90卡环的抗疲劳性优于SLM0、SLM45和铸造组卡环（P<0.05）。SEM显示卡环的断裂起始于晶粒之间。

结论

SLM试件具有更小的晶粒；SLM组尤其是SLM90卡环的主要是韧性断裂而铸造组卡环为脆性断裂；SLM Ti-6Al-4V卡环可放置于0.50 mm倒凹下，SLM90卡环相较于SLM0、SLM45和铸造组卡环具有更优异的抗疲劳性能，这说明SLM Ti-6Al-4V材料存在明显的各向异性。

关键词: 有限元分析, 激光选区融化, 钛-6铝-4钒, 定向力, 各向异性

Objective

The purpose of this study was to investigate the mechanical properties of selective laser melting (SLM) Ti-6Al-4V clasps of different build orientations.

Methods

A total of 48 clasps were made from three different build orientations SLM and cast Ti-6Al-4V alloys (as CAST, SLM0, SLM45, SLM90 groups) . The stress values and distribution induced in clasps were calculated by finite element analysis. All specimens were subjected to the insertion/removal tests, which were carried out in artificial saliva on a metal abutment tooth for 7200 cycles to simulate 5-year clinical use. After all tests, one clasp of each group was subjected to three-point bending test to get the fracture surface of clasp arms, which were observed by SEM to examined the microstructure and fracture mechanism. All data were statistically analyzed by SPSS 20.0. The statistical significance was set at α = 0.05.

Results

The finite element analysis showed that the maximum von Mises were located on the middle part of the retainer arms and that the values of the 0.50 mm undercut clasps were far lower than the elastic limit of titanium alloy. In addition, for the 0.25 mm undercut, the decrease in retention force of the SLM90 group was less than that of CAST group (P<0.05) , while for the 0.50 mm undercut, the decrease in the retention force of SLM90 was less than that of CAST, SLM0 and SLM45 groups (P<0.05) . Fracture surface analysis indicated that the cracks were intergranular.

Conclusions

SLM specimens had finer grains compared with cast specimens. The fracture mode in SLM, especially SLM90 clasps, was ductile, while that in the cast clasps was brittle. In addition, SLM Ti-6Al-4V clasps could be engaged into 0.50 mm undercut, and SLM90 clasps had better fatigue resistance than SLM45, SLM0 and cast clasps.

Key words: Finite element analysis, Selective laser melting, Ti-6Al-4V, Orientation, Anisotropic

图1 不同构建方向的钛合金卡环示意图

图2 不同构建方向的钛合金卡环试件

表1 铸造及激光选区融化（SLM）卡环化学成分（%）

化学成分	铸造卡环	SLM卡环( ± s)
钛(Ti)	88.0 ~ 91.0	89.00 ± 2.00
铝(Al)	5.5 ~ 6.5	6.40 ± 0.40
钒(V)	3.5 ~ 4.5	4.00 ± 0.15

表1 铸造及激光选区融化（SLM）卡环化学成分（%）

化学成分	铸造卡环	SLM卡环( ± s)
钛(Ti)	88.0 ~ 91.0	89.00 ± 2.00
铝(Al)	5.5 ~ 6.5	6.40 ± 0.40
钒(V)	3.5 ~ 4.5	4.00 ± 0.15

图3 卡环及基牙三维模型划分网格

表2 卡环及金属基牙的参数

材料	ρ(kg·m^-3)	E(GPa)	UTS(MPa)	0.2%YS(MPa)	泊松比
钛合金卡环	4400	116	1100	900	0.30
金属基牙	4500	220	-	-	0.33

表2 卡环及金属基牙的参数

材料	ρ(kg·m^-3)	E(GPa)	UTS(MPa)	0.2%YS(MPa)	泊松比
钛合金卡环	4400	116	1100	900	0.30
金属基牙	4500	220	-	-	0.33

图4 万能材料测试仪夹具

图5 卡环三维有限元分析应力云图

图6 0.25 mm倒凹环固位力变化情况

图7 0.50 mm倒凹卡环固位力变化情况

表3 最大固位力与循环周期对数的线性相关分析结果

组别		r值	P值
0.25 mm倒凹		?	?
?	铸造组	-0.983	0.000
?	SLM0组	-0.995	0.000
?	SLM45组	-0.948	0.000
?	SLM90组	-0.914	0.000
0.50 mm倒凹		?	?
?	铸造组	-0.980	0.000
?	SLM0组	-0.977	0.000
?	SLM45组	-0.947	0.000
?	SLM90组	-0.979	0.000

表3 最大固位力与循环周期对数的线性相关分析结果

组别		r值	P值
0.25 mm倒凹		?	?
?	铸造组	-0.983	0.000
?	SLM0组	-0.995	0.000
?	SLM45组	-0.948	0.000
?	SLM90组	-0.914	0.000
0.50 mm倒凹		?	?
?	铸造组	-0.980	0.000
?	SLM0组	-0.977	0.000
?	SLM45组	-0.947	0.000
?	SLM90组	-0.979	0.000

图8 卡环断裂面的扫描电镜图

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