彭 练

1 前 言

钴铬合金被广泛应用于齿科修复领域，不仅用于单冠和桥体的制作，而且用于支架的制作[1]。传统的“失蜡铸造”(cast)工艺一直是加工钴铬(Co-Cr)合金的主要手段，但是最近几年，以“选择性激光烧结”(Selective Laser Melting, SLM)技术为代表的“增材加工”工艺由于可以制备复杂的中空结构，因此迅速受到牙科修复界的欢迎[2]。

由于SLM工艺是基于CAD/CAM技术，因此SLM工艺的加工精度和加工效率明显优于cast工艺[3-8]。此外，SLM工艺制备的Co-Cr合金在物理化学性能方面也表现出比cast工艺更优异的性能[9-17]。然而，SLM工艺在金瓷界面结合强度方面的优越性却存在争议[1,8,10,18-20]。材料的性能往往由其微观结构决定，因此考察SLM工艺和cast工艺制备的Co-Cr合金的微观结构具有非常重要的意义。

目前关于SLM工艺制备的Co-Cr合金的微观结构的研究不仅比较少而且存在争议[2,9,11]。因此本文将对cast和SLM两种工艺制备的Co-Cr合金的微观结构进行比较，并分析这种微观结构的差异对Co-Cr合金性能的影响。

2 实验材料和方法

分别采用SLM工艺和cast工艺制备样品，其中cast工艺又分为两种：离心cast工艺和真空cast工艺。SLM工艺、离心cast工艺和真空cast工艺制备的样品的代号分别为：SLM、CST1和CST2。试验所用的Co-Cr合金均由BEGO公司提供。表1列出了SLM工艺和cast工艺采用的Co-Cr合金的牌号以及元素组成。

表1 Co-Cr合金样品的牌号、制造工艺、制造商以及元素组成Table 1 The brands, manufacturing processes, manufacturers and chemical compositions of Co-Cr alloy samplesBrandsManufacturingprocessManufacturersChemicalcompositions/wt%CoCrMoSiMnWirobondC+SLMBEGOGermanyN/AWiroFinecastBEGOGermanyN/A

在cast工艺中，用铸造蜡(上海医疗器材股份有限公司齿科材料厂)和磷酸盐包埋材(Bellavest，BEGO，德国)制作10个尺寸为?4 mm × 10 mm的模具。其中5个模具用于离心铸造机(HDZP-4，海德浩天，中国天津)在1420 ℃铸造Co-Cr合金，离心速率为560 rpm。另外5个模具用于真空压力铸造机(HERACAST IQ，贺利氏，德国)在1420 ℃铸造Co-Cr合金，真空铸造压力为-105 Pa。模具冷却到室温后将试样从包埋材中取出，用笔式喷砂机(Renfert，德国)和100目金刚砂对试样进行修整。

在SLM工艺中，用选择性激光熔覆机(EOSINT-M280，德国)对Co-Cr金属粉体进行烧结，该选择性激光熔覆机使用的激光功率为200 W。用于SLM工艺的Co-Cr金属粉体的粒径为5～20 μm，每一层粉体的厚度为0.03 mm，当一层粉体烧结完成后，再铺展下一层粉体并烧结直到样品制备完成。采用SLM工艺制备完成5个?4 mm × 10 mm的样品。

样品的断面经过磨抛后，采用场发射扫描电镜(SEM, JSM-7001F, 日本)观察样品内部的微观结构，并采用X射线能谱(EDX, Oxford, 英国)分析样品特征区域的化学成分。所有图像均采集低倍(2000倍)和高倍(倍)两组照片，且所有图像均为背散射图像。

3 结果与讨论

图1是采用离心cast工艺制备的Co-Cr合金样品(CST1)的SEM照片。图1a显示CST1样品内部出现了明显的分相，图1b则是其中一个分相区的高倍照片，并且图1b显示分相区内部也不均匀。随后对A(分相区内)、B(合金主体)和C(分相区内)3个部位进行了点能谱分析，结果如表2所示。可以看出，B位置的元素组成与商家提供的元素组成接近，证明其确为合金主体。分相区(A和C)中Mo元素的含量明显高于合金母体(B)中Mo元素的含量，这说明离心cast工艺制造的样品中Mo元素发生了偏析。此外，CST1样品中出现了一个孔洞(图1a)，尺寸约为2 μm。

图1 CST1样品SEM照片：(a)低倍，(b)高倍Fig.1 The cross-section SEM images of the CST1 sample: (a) low magnification, (b) high magnification

表2 图1a中A、B、C 3处的点能谱分析结果Table 2 The EDX dot analysis (wt%) of the spot A, B and C in Figure 1aSiCrCoMoMnA1444BC5940

图2是采用真空cast工艺制备的Co-Cr合金样品(CST2)的SEM照片。图2a显示CST2样品内部也出现了明显的分相，图2b是其中一个分相区的高倍照片，并且图2b显示分相区内部也不均匀。随后对图2b中的D(分相区内)和E(合金主体)两个部位进行了点能谱分析，结果如表3所示。可以看出，E位置的元素组成与商家提供的元素组成接近，证明其确为合金主体。分相区D处Mo元素的含量明显高于合金母体E处Mo元素的含量，这说明真空cast工艺制造的样品中同样发生了Mo元素的偏析。此外，CST2样品中也出现了一个孔洞(图2a)，尺寸约为1 μm。

图2 CST2样品的SEM照片：(a)低倍，(b)高倍Fig.2 The cross-section SEM images of the CST2 sample: (a) low magnification, (b) high magnification

文章来源：《特种铸造及有色合金》 网址: http://www.tzzzjyshjzz.cn/qikandaodu/2021/0708/810.html