CN113235085B - 一种超声辅助激光熔覆生物活性涂层的装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本申请涉及激光熔覆技术领域，提供一种超声辅助激光熔覆生物活性涂层的装置及方法，该装置包括：超声波发生器、熔覆激光器和反应筒；反应筒的一端设有透明板，熔覆激光器设于透明板的上方，反应筒内设有变幅杆，变幅杆靠近透明板的一端设有夹具，变幅杆远离透明板的一端设有换能器，超声波发生器设于反应筒外侧并与换能器连接，待熔覆件置于夹具上，熔覆激光器、超声波发生器和换能器同步工作以使激光束和超声波同步作用在待熔覆件的表面以形成生物活性涂层。该生物活性涂层由于利用了超声振动的空化效应、机械效应和热效应，使得该涂层性能好，具有硬度高、耐磨性好和生物活性好的优点。

Description

一种超声辅助激光熔覆生物活性涂层的装置及方法
技术领域
本申请属于激光熔覆技术领域，更具体地说，是涉及一种超声辅助激光熔覆生物活性涂层的装置及方法。
背景技术
生物材料包括金属材料和陶瓷材料等。其中，金属材料具有抗压和抗拉强度高、抗冲击性和延展性好、加工成形性好和可靠性高等优点。生物陶瓷材料作为无机生物医学材料，具有优异的生物相容性和生物活性。
作为金属植入物，钛合金以其良好的生物相容性、优良的生物力学性能和优异的成形制造能力成为首选材料。但是钛合金的耐磨性能较差，在体内的微动环境中会产生磨屑并释放金属离子，磨屑会导致骨细胞骨吸收功能变差，缩短植入体使用寿命；同时钛合金属于生物惰性材料，骨导率差，无法与骨组织形成骨性结合，可能导致人工关节植入需再次手术。采用激光熔覆技术在钛合金表面制备耐磨生物活性涂层有望解决以上问题。
激光熔覆过程是一个复杂的物理、化学及冶金过程，涂层硬度及耐磨性能的影响因素众多，仅通过调整激光熔覆工艺参数难以得到性能较佳的涂层。
发明内容
本申请实施例的目的在于提供一种超声辅助激光熔覆生物活性涂层的装置，以解决现有技术中单独靠激光熔覆导致涂层性能不佳的技术问题。
为实现上述目的，本申请采用的技术方案是：提供一种超声辅助激光熔覆生物活性涂层的装置，包括：超声波发生器、熔覆激光器和反应筒；所述反应筒的一端设有透明板，所述熔覆激光器设于所述透明板的上方，所述反应筒内设有变幅杆，所述变幅杆靠近所述透明板的一端设有夹具，所述变幅杆远离所述透明板的一端设有换能器，所述超声波发生器设于所述反应筒外侧并与所述换能器连接，待熔覆件置于所述夹具上，所述熔覆激光器、所述超声波发生器和所述换能器同步工作以使激光束和超声波同步作用在所述待熔覆件的表面以形成生物活性涂层。
在一个实施例中，所述反应筒的内壁上对称设有两个支架，所述变幅杆通过两个所述支架固定在所述反应筒的中轴线上。
在一个实施例中，所述支架为L型，所述支架通过第一紧固件固定在所述反应筒上，所述变幅杆通过第二紧固件固定在所述支架上。
在一个实施例中，所述变幅杆与所述换能器螺纹连接，所述变幅杆与所述夹具一体成型或螺纹连接。
在一个实施例中，所述夹具的上表面设有凹槽，所述夹具上螺纹连接有能水平伸入至所述凹槽内的抵接螺杆，所述待熔覆件置于所述凹槽内后能被所述抵接螺杆抵紧。
在一个实施例中，所述反应筒上设有进气管和出气管，所述进气管与惰性气体供给设备连接。
在一个实施例中，所述反应筒包括下筒体和上筒体，所述下筒体的一端设有底板，所述下筒体的另一端和所述上筒体可拆卸式连接，所述透明板为玻璃板。
在一个实施例中，所述反应筒设置于二维平台上，所述熔覆激光器通过机架设于所述反应筒的上方。
本申请的另一目的在于提供一种超声辅助激光熔覆生物活性涂层的方法，基于如上所述的超声辅助激光熔覆生物活性涂层的装置，该方法包括以下步骤：
S1、获取待熔覆件的组成原料，所述组成原料包括基体、过渡层悬浮液和活性层悬浮液；
S2、制作待熔覆件，先将基体的表面打磨，并采用无水乙醇进行清洗，清洗完毕后快速干燥；将过渡层悬浮液均匀涂覆于基体的表面，然后快速干燥得到过渡层；将活性层悬浮液均匀涂覆于过渡层的表面，然后快速干燥得到活性层，从而得到待熔覆件；
S3、将待熔覆件置于反应筒内的夹具上，向反应筒内充满惰性气体，启动熔覆激光器和超声波发生器，熔覆激光器通过反应筒上的透明板对待熔覆件的表面进行激光熔覆，与此同时，超声波发生器通过换能器和变幅杆对夹具上的待熔覆件进行超声振动；
S4、待熔覆激光器对待熔覆件的表面完成激光熔覆后，停止熔覆激光器至少5秒后，才停止超声波发生器，以在待熔覆激光器的表面形成生物活性涂层。
在一个实施例中，在步骤S1中，基体为钛合金，所述过渡层悬浮液为羟基磷灰石粉末与钛粉的混合粉末用粘结剂调制而成，按照重量百分比计算，钛粉和羟基磷灰石粉末的重量比为0-50:100-50，所述活性层悬浮液为羟基磷灰石粉末用粘结剂调制而成。
本申请提供的超声辅助激光熔覆生物活性涂层的装置及方法的有益效果在于：待熔覆件通过在反应筒内同步进行超声振动及激光熔覆，利用超声振动的空化效应、机械效应和热效应来提高涂层的性能，使得在待熔覆件的表面得到生物活性涂层具有硬度高、耐磨性好和生物活性好的优点。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本申请实施例提供的超声辅助激光熔覆生物活性涂层的装置的立体结构示意图；
图2为本申请实施例提供的超声辅助激光熔覆生物活性涂层的装置的剖视结构示意图；
图3为本申请实施例提供的超声辅助激光熔覆生物活性涂层的装置中反应筒的剖视结构示意图；
图4为本申请实施例提供的超声辅助激光熔覆生物活性涂层的装置中变幅杆、夹具、换能器及支架的组装立体结构示意图；
图5为本申请实施例中实验一的熔覆产品一在模拟体液中浸泡48h后表面沉积物形貌图；
图6为本申请实施例中实验二的熔覆产品二在模拟体液中浸泡48h后表面沉积物形貌图；
图7为本申请实施例中实验一的熔覆产品一的生物活性涂层截面微观形貌图；
图8为本申请实施例中实验二的熔覆产品二的生物活性涂层截面微观形貌图。
其中，图中各附图标记：
1、超声波发生器；11、导电线；2、熔覆激光器；3、反应筒；31、下筒体；311、底板；312、进气管；32、上筒体；321、透明板；322、出气管；4、变幅杆；5、夹具；51、凹槽；52、抵接螺杆；6、换能器；7、支架；71、第一紧固件；72、第二紧固件；8、二维平台；9、机架；10、待熔覆件。
具体实施方式
为了使本申请所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。
需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者间接在该另一个元件上。当一个元件被称为是“连接于”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或间接连接至该另一个元件上。
需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本申请的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
如图1-图4所示，现对本申请实施例提供的一种超声辅助激光熔覆生物活性涂层的装置进行说明。该装置包括机架9、超声波发生器1、熔覆激光器2、反应筒3、变幅杆4、换能器6和夹具5。该装置设置在一个工作平台上。
其中，反应筒3远离工作平台的一端设有透明板321，熔覆激光器2通过机架9设于透明板321的上方，这样透明板321可以供熔覆激光器2发出的激光束透过透明板321射入反应筒3内，同时，透明板321还可以阻挡激光束工作时所产生的烟尘，避免熔覆激光器2的镜头被污染。
其中，变幅杆4设置在反应筒3内，夹具5设置在变幅杆4靠近透明板321的一端，换能器6设置在变幅杆4远离透明板321的一端，超声波发生器1设于反应筒3外侧并通过导电线11与换能器6连接。该装置在进行工作时，将待熔覆件10置于夹具5上，然后使得熔覆激光器2、超声波发生器1和换能器6同步工作，以使熔覆激光器2发出的激光束和超声波发生器1发出的超声波通过换能器6和变幅杆4同步作用在待熔覆件10的表面，以在待熔覆件10的表面形成生物活性涂层。
该生物活性涂层由于利用了超声振动的空化效应、机械效应和热效应，使得该涂层性能好，具有硬度高、耐磨性好和生物活性好的优点。
在本实施例中，如图3-4所示，反应筒3的内壁上对称设有两个支架7，变幅杆4通过两个支架7固定在反应筒3的中轴线上。变幅杆4的两端悬空设置在反应筒3内，这样方便安装夹具5和换能器6。
具体地，如图3-4所示，支架7为L型，变幅杆4的侧壁上对称设有两个搭边，两个搭边分别搭接在相对应的支架7上，各支架7通过第一紧固件71固定在反应筒3上，变幅杆4的搭边通过第二紧固件72固定在支架7上。这样使得变幅杆4固定在反应筒3内具有安装方便的优点。其中，第一紧固件71和第二紧固件72为螺栓或螺钉。
在本实施例中，如图3-4所示，变幅杆4与换能器6螺纹连接，变幅杆4与换能器6的连接处设有耦合剂。在本实施例中，变幅杆4与夹具5一体成型，这样保证变幅杆4和夹具5对待熔覆件10的超声振动效果。在其他实施例中，变幅杆4和夹具5螺纹连接，变幅杆4和夹具5的连接处设有耦合剂。
如图3-4所示，在夹具5的上表面设有凹槽51，凹槽51的尺寸大于待熔覆件10的尺寸，夹具5上螺纹连接有能水平伸入至凹槽51内的抵接螺杆52，待熔覆件10置于凹槽51内后能被抵接螺杆52抵紧，这样保证待熔覆件10的位置固定。在其他实施例中，夹具5上可以设置弹簧抵压块的方式将待熔覆件10进行抵压固定。
如图1-图3所示，在本实施例中，反应筒3上设有进气管312和出气管322，进气管312位于出气管322的下方，进气管312与惰性气体供给设备连接，用于向反应筒3内通入惰性气体，这样可以将反应筒3内的氧气排出，避免待熔覆件10被氧化而影响熔覆效果。同时，在持续通入惰性气体时，流动的惰性气体可以将激光束工作时所产生的烟尘从出气管322带出，避免烟尘留在反应筒3内干扰激光熔覆。
在本实施例中，反应筒3包括下筒体31和上筒体32，下筒体31的一端设有底板311，底板311上设有一圈环槽，下筒体31插接与环槽内，下筒体31的另一端和上筒体32可拆卸式连接，支架7固定在下筒体31的内侧壁上，这样上筒体32和下筒体31可拆卸式连接，可以方便支架7的安装。上筒体32和下筒体31采用螺纹或台阶式插接的方式连。其中，透明板321为玻璃板优选为耐高温透明玻璃板。其中，下筒体31和上筒体32的连接处设置密封圈，下筒体31与底板311的连接处设置密封圈，上筒体32和透明板321的接触处设置密封圈，这样保证反应筒3的密封性，防止氧气进入而影响熔覆效果。
在本实施例中，工作平台上设有二维平台8，反应筒3设置于二维平台8上，这样通过二维平台8可以实现待熔覆件10的二维移动，而熔覆激光器2直接固定在机架9上并反应筒3的上方。由于待熔覆件10的表面比激光束大，因此需要待熔覆件10在激光熔覆过程中不断地进行位置调整，以便对待熔覆件10的表面全部进行激光熔覆。二维平台8采用两个丝杆组件实现。在其他实施例中，反应筒3固定在工作平台上，在机架9上设置两组丝杆组件，两组丝杆组件组成一个XY平台，熔覆激光器2设置在XY平台上，这样通过移动熔覆激光器2的方式来实现对待熔覆件10表面的全部激光熔覆。
本实施例还提供一种超声辅助激光熔覆生物活性涂层的方法，该方法基于如上文所陈述的装置实现，该方法包括以下步骤：
S1、获取待熔覆件10的组成原料，该组成原料包括基体、过渡层悬浮液和活性层悬浮液；其中，基体为钛合金，过渡层悬浮液为羟基磷灰石粉末与钛粉的混合粉末用粘结剂调制而成，按照重量百分比计算，钛粉和羟基磷灰石粉末的重量比为0-50:100-50，活性层悬浮液为羟基磷灰石粉末用粘结剂调制而成。
S2、制作待熔覆件10，先将基体的表面打磨去除氧化层，并采用无水乙醇进行清洗，清洗完毕后快速干燥；将过渡层悬浮液均匀涂覆于基体的表面，然后快速干燥得到过渡层；将活性层悬浮液均匀涂覆于过渡层的表面，然后快速干燥得到活性层，从而得到待熔覆件10；快速干燥采用热风机吹干，缩短基体与氧气的接触时间。
S3、将待熔覆件10置于反应筒3内的夹具5上并固定，向反应筒3内充满惰性气体，启动熔覆激光器2和超声波发生器1，熔覆激光器2通过反应筒3上的透明板321对待熔覆件10的表面进行激光熔覆，与此同时，超声波发生器1通过换能器6和变幅杆4对夹具5上的待熔覆件10进行超声振动；
S4、设置激光熔覆路线，并通过二维平台8实现待熔覆件10的位置移动，待熔覆激光器2对待熔覆件10的表面全部完成激光熔覆后，停止熔覆激光器2至少5秒后，才停止超声波发生器1，以在待熔覆激光器2的表面形成生物活性涂层。
其中，熔覆激光器2为光纤激光器，熔覆激光器2的300W-400W，扫描速度3mm/min-7mm/min，搭接率20％-40％。通入的惰性气体优选为氩气，氩气的流量为20L/min。超声波发生器1的超声频率为30000Hz、功率为50-150W、振幅为2-5μm。
在本实施例中，还提供两组实验以证明超声波发生器1和熔覆激光器2同步工作时所形成的生物活性涂层的性能要比单靠熔覆激光器2工作所形成的生物活性涂层的性能要好。
具体如下：
实验一，超声波发生器1和熔覆激光器2同步工作，具体操作如下。
其中，基体为钛合金基体，尺寸为30mm×15mm×4mm。将钛合金基体打磨，将打磨后的钛合金基体放入超声波清洗仪中用无水乙醇清洗，清洗后进行风干。
按照重量百分比计算：将质量分数比50:50的羟基磷灰石粉末和钛粉末混合，并在球磨机中充分混合，时长2h，形成过渡层粉末；将质量分数100％的羟基磷灰石粉末作为活性层粉末。
将0.1g过渡层粉末用粘结剂调成过渡层悬浮液；然后均匀涂覆于钛合金表面，形成过渡层；待过渡层干燥后，将0.2g活性层粉末用粘结剂调成活性层悬浮液，并均匀涂覆于钛合金表面，形成活性层，干燥后，形成待熔覆件10。
将干燥后的待熔覆件10置于夹具5的凹槽51内，并用抵接螺钉压紧。
绘制激光熔覆路线规划图，设定激光熔覆工艺参数，调整激光光斑直径，实验进行多道熔覆，熔覆道的数量以能覆满待熔覆件10为准，本次实验为7道，激光扫描长度为22mm，激光功率为300w，激光扫描速度为3mm/s，激光光斑直径为2mm，搭接率为30％。
设定超声波发生器1的输出频率和输出功率，实验中超声波发生器1输出频率为30000Hz，输出功率为100W。
启动超声波发生器1和熔覆激光器2，对待熔覆件10的表面进行超声激光熔覆。
待熔覆件10的表面完成熔覆后，先关闭熔覆激光器2，等待至少5秒后，再关闭超声波发生器1。
得到的熔覆产品一。
实验二：
实验二与实验一的区别在于，实验二中不启动超声波发生器1，仅启动熔覆激光器2。
步骤和实验一中相同。
得到熔覆产品二。
现对熔覆产品一和熔覆产品二的生物活性性能进行如下测试。
(1)生物活性研究
利用模拟体液浸泡的试验方法探明活性涂层诱导沉积磷灰石的能力，即生物活性。利用泰思肯MIRA3TESCAN二次电子扫描电镜对浸泡48h后的活性涂层沉积表面进行观测，同时，利用ICAP7400型光谱仪对浸泡周期6h、12h、24h、48h的浸泡液进行P元素浓度的检测。可以发现，浸泡48h后，实验一和实验二的产品表面都沉积了磷灰石涂层(见图5、图6)，球状颗粒是磷灰石涂层的典型形貌。另外，在浸泡周期中，实验一的浸泡溶液中P元素浓度均低于实验二(见表1)，表明实验一的磷灰石沉积速度快于实验二，即，超声波振动的引入提高了生物活性涂层的活性性能。
表1为浸泡周期中各溶液中P元素浓度。
Figure BDA0003060500390000101
(2)微组织观测
利用泰思肯MIRA3TESCAN二次电子扫描电镜分别观察实验一的熔覆产品一和实验二的熔覆产品二中生物活性涂层的截面微观形貌(见图7、图8)，与实验二相比，实验一中生物活性涂层致密度更高，以晶粒面积占比作为面致密度的评价指标，可以得到，实验二中的面致密度为55.15％，而实验一中的面致密度为74.36％，表明超声波振动的介入，提高了生物活性涂层的面致密度。
(3)硬度的测量
用HVS-1000Z型自动转塔数显维氏硬度计测量涂层横截面的显微硬度。结果表明：实验一中的生物活性涂层的显微硬度为530HV0.2，实验二中的生物活性涂层的显微硬度为440HV0.2。可见，超声波振动的介入，提高了生物活性涂层的显微硬度。
(4)耐磨性能的研究
利用VHX-5000型超景深数字显微镜观察磨痕轮廓并计算涂层磨损体积；以磨损体积作为耐磨性能的评价指标，结果显示，实验一中的生物活性涂层的磨损体积量为3.76×10-1mm3，实验一中的生物活性涂层的磨损体积量为4.71×10-1mm3。可知，超声波振动的介入，实验一中的生物活性涂层体积磨损量相对于实验一中的生物活性涂层减少了20.17％，因此，超声波振动的介入，使得生物活性涂层的耐磨性能有显著提高。
本申请实施例提供的超声辅助激光熔覆生物活性涂层的装置及方法，通过对待熔覆件10同步进行超声波振动及激光熔覆，使得在待熔覆件10的表面得到生物活性涂层具有硬度高、耐磨性好和生物活性好的优点。
以上所述仅为本申请的较佳实施例而已，并不用以限制本申请，凡在本申请的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种超声辅助激光熔覆生物活性涂层的装置，其特征在于，包括：超声波发生器(1)、熔覆激光器(2)和反应筒(3)；所述反应筒(3)的一端设有透明板(321)，所述熔覆激光器(2)设于所述透明板(321)的上方，所述反应筒(3)内设有变幅杆(4)，所述变幅杆(4)靠近所述透明板(321)的一端设有夹具(5)，所述变幅杆(4)远离所述透明板(321)的一端设有换能器(6)，所述超声波发生器(1)设于所述反应筒(3)外侧并与所述换能器(6)连接，待熔覆件(10)置于所述夹具(5)上，所述熔覆激光器(2)、所述超声波发生器(1)和所述换能器(6)同步工作以使激光束和超声波同步作用在所述待熔覆件(10)的表面以形成生物活性涂层；所述反应筒(3)的内壁上对称设有两个支架(7)，所述变幅杆(4)通过两个所述支架(7)固定在所述反应筒(3)的中轴线上以使所述变幅杆(4)的两端悬空设置在所述反应筒(3)内。
2.如权利要求1所述的超声辅助激光熔覆生物活性涂层的装置，其特征在于：所述支架(7)为L型，所述支架(7)通过第一紧固件(71)固定在所述反应筒(3)上，所述变幅杆(4)通过第二紧固件(72)固定在所述支架(7)上。
3.如权利要求1所述的超声辅助激光熔覆生物活性涂层的装置，其特征在于：所述变幅杆(4)与所述换能器(6)螺纹连接，所述变幅杆(4)与所述夹具(5)一体成型或螺纹连接。
4.如权利要求1所述的超声辅助激光熔覆生物活性涂层的装置，其特征在于：所述夹具(5)的上表面设有凹槽(51)，所述夹具(5)上螺纹连接有能水平伸入至所述凹槽(51)内的抵接螺杆(52)，所述待熔覆件(10)置于所述凹槽(51)内后能被所述抵接螺杆(52)抵紧。
5.如权利要求1所述的超声辅助激光熔覆生物活性涂层的装置，其特征在于：所述反应筒(3)上设有进气管(312)和出气管(322)，所述进气管(312)与惰性气体供给设备连接。
6.如权利要求1所述的超声辅助激光熔覆生物活性涂层的装置，其特征在于：所述反应筒(3)包括下筒体(31)和上筒体(32)，所述下筒体(31)的一端设有底板(311)，所述下筒体(31)的另一端和所述上筒体(32)可拆卸式连接，所述透明板(321)为玻璃板。
7.如权利要求1-6中任一项所述的超声辅助激光熔覆生物活性涂层的装置，其特征在于：所述反应筒(3)设置于二维平台(8)上，所述熔覆激光器(2)通过机架(9)设于所述反应筒(3)的上方。
8.一种超声辅助激光熔覆生物活性涂层的方法，其特征在于，基于如权利要求1-7中任一项所述的超声辅助激光熔覆生物活性涂层的装置，该方法包括以下步骤：
S1、获取待熔覆件(10)的组成原料，所述组成原料包括基体、过渡层悬浮液和活性层悬浮液；
S2、制作待熔覆件(10)，先将基体的表面打磨，并采用无水乙醇进行清洗，清洗完毕后快速干燥；将过渡层悬浮液均匀涂覆于基体的表面，然后快速干燥得到过渡层；将活性层悬浮液均匀涂覆于过渡层的表面，然后快速干燥得到活性层，从而得到待熔覆件(10)；
S3、将待熔覆件(10)置于反应筒(3)内的夹具(5)上，向反应筒(3)内充满惰性气体，启动熔覆激光器(2)和超声波发生器(1)，熔覆激光器(2)通过反应筒(3)上的透明板(321)对待熔覆件(10)的表面进行激光熔覆，与此同时，超声波发生器(1)通过换能器(6)和变幅杆(4)对夹具(5)上的待熔覆件(10)进行超声振动；
S4、待熔覆激光器(2)对待熔覆件(10)的表面完成激光熔覆后，停止熔覆激光器(2)至少5秒后，才停止超声波发生器(1)，以在待熔覆激光器(2)的表面形成生物活性涂层。
9.如权利要求8所述的一种超声辅助激光熔覆生物活性涂层的方法，其特征在于：在步骤S1中，基体为钛合金，所述过渡层悬浮液为羟基磷灰石粉末与钛粉的混合粉末用粘结剂调制而成，按照重量百分比计算，钛粉和羟基磷灰石粉末的重量比为0-50:100-50，所述活性层悬浮液为羟基磷灰石粉末用粘结剂调制而成。
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CN112759422B (zh) * 2021-02-01 2022-12-27 云南省第一人民医院 一种制备具有高结合力界面的牙科氧化锆-饰面瓷的方法

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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP3663621B2 (ja) * 2000-03-27 2005-06-22 日産自動車株式会社 レーザクラッド加工における粉体供給量の正否判定方法
CN201300207Y (zh) * 2008-10-30 2009-09-02 华中科技大学 一种金属零件选区激光熔化快速成型设备
CN102266942B (zh) * 2011-07-15 2013-06-05 华中科技大学 直接制造大型零部件的选区激光熔化快速成型设备
CN203976918U (zh) * 2014-06-15 2014-12-03 兰晋 可变光斑模块化半导体激光熔覆系统
CN105770995A (zh) * 2014-12-17 2016-07-20 汤燕 一种具备梯度的TI-6Al-4V基体生物材料
CN210117416U (zh) * 2019-03-05 2020-02-28 孟祥滨 一种耐磨熔覆焊接装置
CN209923433U (zh) * 2019-05-13 2020-01-10 新疆大学 超声振动辅助激光熔覆制备无裂纹熔覆层装置

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