CN109023188A - 一种适用于增材制造牙科支架的热处理工艺 - Google Patents

一种适用于增材制造牙科支架的热处理工艺 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种适用于增材制造牙科支架的热处理工艺，属于金属增材制造技术领域。本发明解决的技术问题是提供一种工艺简单耗时短的适用于增材制造牙科支架的热处理工艺。该工艺依次包括特定的去应力退火步骤和快烧固溶步骤。本发明热处理工艺，将去应力退火和快烧固溶处理结合起来，双重热处理使得零件具有非常良好的力学性能，完全满足牙科支架对材料塑性的要求。经过本发明方法处理后的牙科支架，具有足够高的抗拉强度，同时延伸率大幅提升。此外，本发明热处理工艺简单，耗时短，操作方便，成本较低，可用于增材制造牙科支架的数字化加工生产。

Description

一种适用于增材制造牙科支架的热处理工艺
技术领域
本发明涉及一种适用于增材制造牙科支架的热处理工艺，属于金属增材制造技术领域。
背景技术
随着高速扫描和精密加工技术的快速发展，口腔修复加工行业由劳动密集型产业逐渐向智能制造行业发展。而增材制造(3D打印)技术的兴起又为口腔修复加工行业提供了新的动力，并在口腔医疗领域掀起一股热潮，数字化加工替代传统手工制造成为一种趋势。
口腔修复体通常分为可摘局部义齿和固定局部义齿以及固定-可摘联合修复体三大类，支架是可摘局部义齿的重要组成部分，是基础组件，其设计需要满足不同患者的口腔状态，因此非常适合个性化定制的3D打印技术。由于支架的功能性，一般对其性能要求比较高，在保证一定强度的前提下，支架还需要具有良好的塑性和韧性，而目前采用3D打印加工的支架，只能保证不发生变形且强度较高，但是塑性和韧性存在较大的问题，尤其是在精细连接部位，极易发生断裂。因此，急需一种提高增材制造牙科支架材料韧性和塑性的方法。
发明内容
针对以上缺陷，本发明解决的技术问题是提供一种适用于增材制造牙科支架的热处理工艺。
本发明一种适用于增材制造牙科支架的热处理工艺，其步骤依次如下：
a、去应力退火：在惰性气体保护下，将成型的牙科支架升温到350～450℃，保温30～50min；随后再升温到750～850℃，保温60～80min，最后以200～300℃/h的冷却速率冷却至400～600℃，再以18～30℃/min的冷却速率冷却至室温；
b、快烧固溶：在惰性气体保护下，经过去应力退火后的牙科支架，以100～140℃/min的升温速率升温至1100～1200℃，保温20～40min，随后以18～30℃/min的冷却速率冷却至室温。
优选的，a步骤中，在40～60min，升温到350～450℃，保温后，在30～50min中，升温到750～850℃。
优选的，所述成型的牙科支架采用3D打印方法制造。
进一步优选的，所述成型的牙科支架采用激光选区熔化工艺加工而成。
作为优选方案，所述牙科支架为金属支架。
优选的，所述牙科支架为钛合金支架或钴铬合金支架。
优选的，所述惰性气体为氦气、氖气、氩气、氪气或氙气。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
本发明热处理工艺，将去应力退火和快烧固溶处理结合起来，双重热处理使得零件具有非常良好的力学性能，完全满足牙科支架对材料塑性的要求。经过本发明方法处理后的牙科支架，具有足够高的抗拉强度，同时延伸率大幅提升。
本发明热处理工艺简单，耗时短，操作方便，成本较低，可用于增材制造牙科支架的数字化加工生产。
具体实施方式
本发明一种适用于增材制造牙科支架的热处理工艺，其步骤依次如下：
a、去应力退火：在惰性气体保护下，将成型的牙科支架升温到350～450℃，保温30～50min；随后再升温到750～850℃，保温60～80min，最后以200～300℃/h的冷却速率冷却至400～600℃，再以18～30℃/min的冷却速率冷却至室温；
b、快烧固溶：在惰性气体保护下，经过去应力退火后的牙科支架，以100～140℃/min的升温速率升温至1100～1200℃，保温20～40min，随后以18～30℃/min的冷却速率冷却至室温。
本发明热处理工艺，将去应力退火和快烧固溶处理结合起来，二者相辅相成，经过去应力退火和快烧固溶处理后的支架具有较高的强度和优异的断裂延伸率，非常适合制作牙科支架。
本发明的热处理工艺，整个过程均在惰性气体保护下进行。为了节约成本，可以将牙科支架放在充满惰性气体的样品盒内，再将样品盒放入加热炉内进行加热和冷却。为了简化操作，以200～300℃/h冷却至400～600℃优选采用随炉冷却的方式，以18～30℃/min冷却至室温优选采用打开炉门空冷的方式。
优选的，a步骤中，在40～60min中，升温到350～450℃，保温后，在30～50min中，升温到750～850℃。
本发明热处理工艺，适用于增材制造牙科支架的热处理，即牙科支架是采用3D打印方法制造的。优选的，所述牙科支架采用激光选区熔化工艺加工而成。
本发明热处理工艺，能够提高金属支架的塑性，优选的，所述牙科支架为金属支架。
常用的金属支架均适用于本发明，优选的，所述牙科支架为钛合金支架或钴铬合金支架。其中，钛合金支架的成分优选为Al：5.5～6.5％，V：3.5～4.5％，O：0.08～0.10％，N：0.01～0.02％，H：≤0.012％，Fe：≤0.25％，C：≤0.08％，其余为Ti。钴铬合金的成分优选为Cr：25～30％，Mo：5～10％，Mn:0.4～0.6％，Si：0.3～0.6％，N：0.06～0.11％，O：0.02～0.06％，C<0.2％，其余为Co。
为了更好的热处理效果，优选的，所述惰性气体为氦气、氖气、氩气、氪气或氙气。
下面结合实施例对本发明的具体实施方式做进一步的描述，并不因此将本发明限制在所述的实施例范围之中。
实施例1
对钴铬合金支架进行热处理，具体包括以下步骤：
1、用激光选区熔化工艺将钴铬合金粉末加工成型牙科支架。钴铬合金的成分为：Cr：28％，Mo：7％，Mn:0.5％，Si：0.4％，N：0.08％，O：0.04％，C：0.1％，其余为Co。
2、去应力退火：将成型的牙科支架放入热处理炉中，在氩气保护下，50min升温到400℃，保温40min，随后40min升温到800℃，保温70min，最后以250℃/h的冷却速率冷却至500℃，再以25℃/min的冷却速率冷却至室温。
3、快烧固溶处理：经过去应力退火后的支架，放入快烧炉中，在氩气保护下，升温速率设置为110℃/min，升温至1150℃，保温30min，随后以25℃/min的冷却速率冷却至室温。
对未热处理的测试件、去应力退火处理后的测试件、经过去应力退火和快烧固溶处理后的测试件进行力学性能测试，结果详见下表1，经过去应力退火和快烧固溶处理后的测试件具有较高的强度和优异的断裂延伸率，非常适合制作牙科支架。
表1
样品 样品1-1 样品1-2 样品1-3
热处理工艺 未热处理 去应力退火 去应力退火+快烧固溶处理
抗拉强度(MPa) 1250 1200 1100
屈服强度(MPa) 1100 900 550
断裂延伸率(％) 3 11 30
实施例2
对钴铬合金支架进行热处理，具体包括以下步骤：
1、用激光选区熔化工艺将钴铬合金粉末加工成型牙科支架。钴铬合金的成分为Cr：25％，Mo：5％，Mn:0.4％，Si：0.3％，N：0.11％，O：0.06％，C：0.18％，其余为Co。
2、去应力退火：将成型的牙科支架放入热处理炉中，在氩气保护下，60min升温到450℃，保温50min，随后50min升温到750℃，保温60min，最后以200℃/h的冷却速率冷却至400℃，再以18℃/min的冷却速率冷却至室温。
3、快烧固溶处理：经过去应力退火后的支架，在氩气保护下，放入快烧炉中，升温速率设置为130℃/min，升温至1100℃，保温20min，随后以18℃/min的冷却速率冷却至室温。
对未热处理的测试件、去应力退火处理后的测试件、经过去应力退火和快烧固溶处理后的测试件进行力学性能测试，结果详见下表2。
表2
样品 样品2-1 样品2-2 样品2-3
热处理工艺 未热处理 去应力退火 去应力退火+快烧固溶处理
抗拉强度(MPa) 1234 1196 1123
屈服强度(MPa) 1095 956 565
断裂延伸率(％) 4 11 28
实施例3
对钛合金支架进行热处理，具体包括以下步骤：
1、用激光选区熔化工艺将钛合金粉末加工成型牙科支架。钛合金的成分为：Al：6.0％，V：4.0％，O：0.09％，N：0.01％，H：0.01％，Fe：0.25％，C：0.08％，其余为Ti。
2、去应力退火：将成型的牙科支架放入热处理炉中，在氩气保护下，40min升温到350℃，保温30min，随后30min升温到850℃，保温80min，最后以300℃/h的冷却速率冷却至600℃，再以30℃/min的冷却速率冷却至室温。
3、快烧固溶处理：经过去应力退火后的支架，放入快烧炉中，在氩气保护下，升温速率设置为140℃/min，升温至1200℃，保温40min，随后以30℃/min的冷却速率冷却至室温。
4、对未热处理的测试件、去应力退火处理后的测试件、经过去应力退火和快烧固溶处理后的测试件进行力学性能测试，结果详见下表3，经过去应力退火和快烧固溶处理后的测试件具有较高的强度和优异的断裂延伸率，非常适合制作牙科支架。
表3
样品 样品3-1 样品3-2 样品3-3
热处理工艺 未热处理 去应力退火 去应力退火+快烧固溶处理
抗拉强度(MPa) 1065 1093 1062
屈服强度(MPa) 1038 1050 1002
断裂延伸率(％) 3％ 8％ 15％
对比例1
对钴铬合金支架进行热处理，具体包括依次进行的以下步骤：
1、用实施例1的激光选区熔化工艺将钴铬合金粉末加工成型牙科支架。钴铬合金的成分为同实施例1。
2、去应力退火：将成型的牙科支架放入热处理炉中，在氩气保护下，90min升温到800℃，保温110min，最后以250℃/h的冷却速率冷却至500℃，再以25℃/min的冷却速率冷却至室温。
3、快烧固溶处理：经过去应力退火后的支架，放入快烧炉中，在氩气保护下，升温速率设置为120℃/min，升温至1150℃，保温30min，随后以25℃/min的冷却速率冷却至室温。
采用该方法，由于去应力退火时升温速率过快，且零件内外温度不均匀，易造成3D打印件断裂。
对比例2
对钴铬合金支架进行热处理，具体包括依次进行的以下步骤：
1、用实施例1的激光选区熔化工艺将钴铬合金粉末加工成型牙科支架。钴铬合金的成分为同实施例1。
2、去应力退火：将成型的牙科支架放入热处理炉中，在氩气保护下，50min升温到400℃，保温40min，随后40min升温到800℃，保温70min，最后以250℃/h的冷却速率冷却至500℃，再以25℃/min的冷却速率冷却至室温。
3、固溶处理：经过去应力退火后的支架，放入快烧炉中，在氩气保护下，3h升温至1150℃，保温40min，随后以25℃/min的冷却速率冷却至室温。
4、对该测试件进行力学性能测试，其抗拉强度为1034MPa，屈服强度为997MPa，断裂延伸率为6％。

Claims (7)

1.一种适用于增材制造牙科支架的热处理工艺，其特征在于：其步骤依次如下：
a、去应力退火：在惰性气体保护下，将成型的牙科支架升温到350～450℃，保温30～50min；随后再升温到750～850℃，保温60～80min，最后以200～300℃/h的冷却速率冷却至400～600℃，再以18～30℃/min的冷却速率冷却至室温；
b、快烧固溶：在惰性气体保护下，经过去应力退火后的牙科支架，以100～140℃/min的升温速率升温至1100～1200℃，保温20～40min，随后以18～30℃/min的冷却速率冷却至室温。
2.根据权利要求1所述的适用于增材制造牙科支架的热处理工艺，其特征在于：a步骤中，40～60min升温到350～450℃，保温后，30～50min升温到750～850℃。
3.根据权利要求1或2所述的适用于增材制造牙科支架的热处理工艺，其特征在于：所述成型的牙科支架采用3D打印方法制造。
4.根据权利要求3所述的适用于增材制造牙科支架的热处理工艺，其特征在于：所述成型的牙科支架采用激光选区熔化工艺加工而成。
5.根据权利要求1～4任一项所述的适用于增材制造牙科支架的热处理工艺，其特征在于：所述牙科支架为金属支架。
6.根据权利要求5所述的适用于增材制造牙科支架的热处理工艺，其特征在于：所述牙科支架为钛合金支架或钴铬合金支架。
7.根据权利要求1～6任一项所述的适用于增材制造牙科支架的热处理工艺，其特征在于：所述惰性气体为氦气、氖气、氩气、氪气或氙气。
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