由图3B可知，直接成形的悬臂梁变形量随着能量密度的增加呈现出先减小后增大的变化趋势。其主要原因是当能量密度较小时，金属粉末吸收的能量较少，熔池的宽度和深度较小，能量不易积累且很快地在成形室扩散，导致Ti-6Al-4V钛合金粉末熔化不充分，且在冷却过程中，激光熔池与其周围区域材料收缩和膨胀不协调，造成悬臂梁变形量较大。随着金属粉末吸收的能量不断增加，金属粉末熔化越来越充分，熔池的宽度和深度不断变大，使成形件层与层与之间的结合力增大，因此悬臂梁的变形量减小。当能量密度较大时，金属粉末吸收的能量过大，粉末的熔化过于充分，导致熔池过大，产生较大的温度梯度，形成较大的残余应力，进而使悬臂梁的变形增大。变形实验表明，当激光功率、扫描速度、扫描间距分别为180 W、800 mm/s、0.11 mm时，68.18 J/mm3能量密度下成形的单侧固定悬臂梁变形量平均值为1.594 mm，均小于其他能量密度下悬臂梁的变形量。



2.2   热处理对成形件变形的影响   为了进一步减小成形件变形量，对优化工艺参数后成形悬臂梁进行热处理。依据GB/T 37584-2019的要求，制定了实验的热处理工艺，见图4A所示。采用STGL-1400/40型号真空退火炉进行热处理，先将设备从室温以5 ℃/min的速度上升到800 ℃，然后在该温度下保温240 min，最后进行炉冷。

经测量发现，优化工艺参数后成形悬臂梁经过热处理后的变形量为0.355 mm，相比于未经热处理的悬臂梁变形量减小77.73%，符合行业标准中的变化范围。对比图3A、图4B可以发现，经热处理后成形件的变形量大幅度降低，由此可知热处理对选择性激光熔化成形零件的变形有较大影响。

为获取成形件的残余应力数据，根据GB/T 7704-2017的标准，对选择性激光熔化技术成形试件进行残余应力检测。结果发现：当能量密度为68.18 J/mm3时，成形件的残余应力为180 MPa，经热处理后成形件的残余应力为159 MPa，残余应力结果进一步验证了热处理对成形件变形的影响。成形件经热处理后残余应力和变形量均变小，是因为在选择性激光熔化成形过程中，由输入热量造成的温度分布不均匀以及熔池内冷却速率的不一致，使晶粒在相变过程中分布不均匀，晶界界面处于亚稳定状态。在热处理过程中，随着温度的升高，Ti-6Al-4V钛合金原子活动能力增强，使钛合金原子重新排列组合，从而由亚稳定状态转变为稳定平衡状态，最终使成形件的残余应力减小，具体表现为成形件的变形量变小。
2.3   选择性激光熔化成形全冠研究    基于逆向工程技术获得数字化全冠模型后，采用优化的工艺参数成形全冠并进行研究。选择性激光熔化成形全冠及全冠模型拟合结果，见图5A，C所示。将成形全冠的支撑去除，使用AuTo Scan Inspec全自动桌面三维检测系统获取选择性激光熔化成形的实际钛合金全冠三维数据并对数据进行处理；然后将原数字化全冠模型与选择性激光熔化成形全冠模型均导入Geomagic Qualify三维检测软件中进行拟合，最后在该软件中进行3D比较，选择性激光熔化成形全冠模型与原数字化全冠模型对比结果，见图5B，D所示。

与原数字化全冠模型相比，未经热处理的成形全冠模型标准偏差为0.103 9 mm，RMS Estimate为0.121 0 mm。经过拟合结果显示，未经热处理的成形全冠最大偏差为+0.526 6 mm的点位于最大全冠的底部，向Z轴正方向变形；为-0.376 3 mm的点位于最大全冠的边缘，向X轴负方向变形。经热处理后成形全冠的标准偏差为0.083 0 mm，RMS Estimate为0.103 8 mm。经过拟合结果显示，热处理后的成形全冠最大偏差为+0.393 4 mm的点位于最小全冠的边缘，向Z轴正方向变形；为-0.331 4 mm的点位于最大全冠的边缘，向X轴负方向变形。与未经热处理的成形全冠相比，经热处理后的成形全冠正值的最大偏差减小25.3%，负值的最大偏差减小11.9%，标准偏差减小20.1%，RMS Estimate减小14.2%。基于上述结果，可以得出工艺优化后选择性激光熔化成形全冠经热处理后与原数字化全冠相比存在变形。存在变形的原因主要有两点：一是成形全冠的变形，首先全冠边缘处结构复杂，不适合添加支撑，其次在选择性激光熔化成形过程中，不均匀的温度梯度演化为残余应力作用于全冠边缘处，因此成形全冠存在变形；二是热处理后的全冠表面未经过处理，较为粗糙。综合分析，该参数下成形的全冠经热处理后存在变形属于正常现象，且可以根据Geomagic Qualify三维检测软件中3D对比反映出的偏差对全冠进行后续处理。

粗糙度与硬度实验结果表明，优化参数后成形未经热处理的试件，平行于生长方向的粗糙度平均值为8.306 μm，该粗糙度小于医药行业标准的要求值；平行于生长方向的硬度平均值为345 HV，该硬度与正常牙齿的显微硬度相当[48]。故成形全冠选择的工艺参数符合牙科要求。

全冠形状多变、大小不一，被用于牙齿的修复，对这一类薄壁零件通常要求精度高、质量轻、壁厚薄，但是成形中易发生形变而降低工件精度。传统全冠的制作方式不仅返工维修率较高，而且患者佩戴全冠的舒适度差[1-2]。选择性激光熔化技术具有材料范围广、个性化强、可成形任意复杂结构的零件等特点[3]，为薄壁件的制造提供了高效、快速的成形方法，该技术在钛合金[4-6]、钴铬合金领域的广泛应用为全冠制作提供了新思路[7-9]。然而在选择性激光熔化成形过程中，金属粉末的快速熔化和快速凝固往往造成不均匀的温度梯度[10-13]，进一步演化为成形件的残余应力[6]，最终导致成形件发生变形[14-17]。由于不均匀的温度梯度是增材制造技术中的本质特点，所以变形是选择性激光熔化技术成形过程中最易出现的问题[18-21]。变形会降低成形件的成形精度，进而影响成形件的尺寸大小与性能[25-27]。因此，成形件的变形是选择性激光熔化技术中亟需解决的问题，减小成形件的变形成为选择性激光熔化技术的研究热点之一。

关于选择性激光熔化成形件变形的研究在国内外均有报道。张升等[28]通过选择性激光熔化成形Ti-6Al-4V钛合金试样，总结出调整工艺参数可以改变成形件组织，削弱残余应力，进而减小成形件的变形。边培莹等[29]基于实验发现，通过合理的工艺参数能够有效减小残余应力，得到质量较高的选择性激光熔化成形件。祝彬彬[14]、CHAO等[30]、PONNUSAMY等[31]通过实验均得出热处理能够减小选择性激光熔化成形零件变形的结论。

目前，关于选择性激光熔化技术在成形钛合金全冠过程中变形的研究鲜有报道。依据行业标准，该文针对选择性激光熔化成形Ti-6Al-4V钛合金全冠变形问题，通过优化选择性激光熔化成形工艺并对成形件进行热处理，得出全冠成形的最佳工艺参数组合。
中国组织工程研究杂志出版内容重点：生物材料；骨生物材料；口腔生物材料；纳米材料；缓释材料；材料相容性；组织工程

1.1   设计   能量密度对选择性激光熔化成形钛合金全冠变形的影响实验。
1.2   时间及地点   实验于2021年3-10月在贵州师范大学完成。
1.3   材料   选用西安铂力特增材技术股份有限公司生产的Ti-6Al-4V钛合金粉末，钛合金粉末采用气雾法制备，粒径范围15-53 μm，经检测松装密度为≥2.2 g/cm3，流动性为≤40 s/50 g，球形度≥92%，球形度高，流动性好。钛合金粉末中含有Al、V、Fe、C、N、H以及O等元素，其所占质量分数分别为6.00%、4.14%、0.048%、< 0.01%、0.013%、<0.001 5%、0.099%，余量为Ti。

钛合金粉末金属微观形貌见图1。钛合金粉末在使用前需要采用真空烘干箱进行烘干处理。实验选用165 mm×165 mm×25 mm的Ti-6Al-4V钛合金基板。安装基板前，用酒精去除基板表面的油污，并吹干待用。

采用西安铂力特增材技术股份有限公司生产制造的BLT-A160设备进行实验，激光器选用IPG公司的500 W光纤激光器，最大扫描速度为7 000 mm/s，该设备最大成形尺寸为160 mm×160 mm×100 mm(W×D×H)。实验过程中需要在成形室充入99.99%的高纯氩作为保护气体，避免钛合金粉末中的高活性成分与空气中的氧、氮等发生化学反应，影响成形件的质量。 
1.4    实验方法    根据YY/T 1702-2020的要求，选择性激光熔化技术直接成形单侧固定悬臂梁试件以用于检测变形量，见图2所示。

变形量是指单侧固定悬臂梁上表面位于中心线的A点(即悬臂梁最远端)线切割前后的高度变化。在选择性激光熔化成形悬臂梁后，A点和基板之间的距离为L，线切割后A点和基板之间的距离为L'，则选择性激光熔化成形件的变形量ΔL=L'-L(L、L'均为多次测量的平均值)。同时成形10 mm×10 mm×10 mm的方块试件，以用于检测粗糙度、硬度和残余应力。在选择性激光熔化成形过程中，能量密度的高低决定着金属粉末的熔化情况，粉末吸收的能量直接影响着成形件的质量。激光能量密度E可根据下式计算得出[32-34]：

式中，P表示激光功率(W)，v表示扫描速度(mm/s)，h表示扫描间距(mm)，t表示铺粉层厚(mm)。目前在选择性激光熔化成形Ti-6Al-4V钛合金的研究中，激光功率大多数集中在100-200 W之间，扫描速度大多数集中在600-1 500 mm/s之间，扫描间距大多数集中在0.05-0.14 mm之间[35-47]，将铺粉层厚设置为0.03 mm，据此制定实验选择性激光熔化成形的工艺参数方案，见表1所示。

试件成形后，采用DK7745型号的电火花数控线切割机床进行切割。采用JB-5C粗糙度轮廓仪测定表面粗糙度，按照GB/T 10610-2009的要求，沿着打印生长方向进行试验，在每个测试面分别测量3处粗糙度值，测试结果取其平均值。

采用X射线衍射仪(X’ Pert PRO)测定成形试件未处理表面的残余应力，按照GB/T 7704-2017的要求，将样品的弹性模量设置为110 GPa，泊松比设置为0.34，sin2(ᴪ)分别设置为0，0.1，0.2，0.3，0.4，0.5，测量侧面中心平行于生长方向的残余应力。

采用HBRV-187.5型号的电动布洛维硬度计测定显微硬度，按照GB/T 4340.1-2009的要求，对垂直于打印生长方向的下底面进行硬度实验，在每个测试面上测量3个点，且点与点、点与试件边缘的距离均≥2 mm，测试结果取其平均值。
1.5   主要观察指标   不同能量密度对成形件变形的影响，对工艺参数进行优化，并将参数优化后打印的零件进行热处理。

变形实验表明，合理的工艺参数组合能够减小成形件变形的程度。优化后的工艺参数为激光功率180 W、扫描速度800 mm/s、扫描间距0.11 mm，能量密度为68.18 J/mm3，该工艺参数下成形悬臂梁的变形量为1.594 mm，小于其他组成形件的变形量；热处理对成形件的变形有显著影响。优化工艺参数后成形的悬臂梁经热处理后，残余应力得以释放，变形量进一步减小为0.355 mm，与未经热处理悬臂梁的变形量相比减小77.73%；选择性激光熔化技术可以制备出变形小、硬度大、粗糙度低的Ti-6Al-4V钛合金全冠，能够满足牙科需求。
中国组织工程研究杂志出版内容重点：生物材料；骨生物材料；口腔生物材料；纳米材料；缓释材料；材料相容性；组织工程

文题释义：
选择性激光熔化：集计算机辅助设计、数控技术、增材制造于一体的先进制造技术，可以实现精密零件及个性化、定制化零件的制造，适合加工结构复杂的零件。
全冠：是一种最常见的口腔修复体，安装在修整后的天然全冠上，以保护牙齿。

中国组织工程研究杂志出版内容重点：生物材料；骨生物材料；口腔生物材料；纳米材料；缓释材料；材料相容性；组织工程

变形是选择性激光熔化技术成形过程中最易出现的问题，当前关于选择性激光熔化技术在成形钛合金全冠过程中变形的研究鲜有报道。该文针对选择性激光熔化成形Ti-6Al-4V钛合金全冠变形问题，通过优化选择性激光熔化成形工艺并对成形件进行热处理，得出全冠成形的最佳工艺参数组合。

中国组织工程研究杂志出版内容重点：生物材料；骨生物材料；口腔生物材料；纳米材料；缓释材料；材料相容性；组织工程