酚醛粘结3D打印316L不锈钢的工艺及性能研究

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粘结剂喷射3D打印(Binder jet 3D printing,简称BJ3DP)与选择性激光熔化/烧结等增材制造方法相比,具有制造成本低、适用材料广等优点,在快速、批量化生产方面具有发展潜力,近年来得到广泛关注。国外因先发优势,已在相关领域取得一定研究成果,而国内对BJ3DP技术的研究尚处起步阶段,相关文献报道较少。本文以316L不锈钢粉末为原料,以酚醛溶液为粘结剂,分析打印参数对生坯密度和尺寸的影响,总结出高密度、低尺寸偏差样品的打印参数,探究其固化、脱脂工艺。随后,研究烧结温度、烧结时间对样品密度、显微组织、力学性能的影响。最后,制备出具有较高密度的复杂结构零件,分析了粉末回收后再次利用的可行性。主要结果如下:铺粉层厚对生坯密度的影响最大,铺粉速度的影响最小。对生坯尺寸精度影响最大的是铺粉层厚,最小的是粘结剂饱和度。实验最终得到的较优工艺为:铺粉层厚为150μm(即三倍的平均粒径)、粘结剂饱和度为35%、铺粉速度为10 cm/s。由于工艺特点,生坯不同表面间存在形貌差异,其中垂直于铺粉方向的YOZ面缺陷比较集中,垂直于喷墨方向的XOZ面则是分散的点状缺陷,XOY面缺陷最少,表面最为光洁、平整。样品生坯的抗压强度为4.54 MPa,满足后续处理中的强度要求。提高烧结温度可以显著改善样品的密度和力学性能。样品在600℃脱脂时的含碳量最低,且在1385℃、1410℃、1435℃烧结2.5 h后含碳量都低于0.030%,满足316L不锈钢的要求。不同温度烧结出的样品均以奥氏体组织为主,产生新相δ-铁素体。样品在0.99TS(即1435℃)烧结时相对密度最高,为88.7%,力学性能最好,屈服强度为160 MPa,接近商用316L不锈钢170 MPa的水平,抗拉强度为355 MPa,伸长率为26.4%。延长烧结时间可以提高样品的密度和力学性能。样品在1435℃的烧结时间从2.5 h延长为7.5 h后,相对密度超过92%。虽然晶粒平均尺寸从46.2μm增大到82.4μm,但是其综合力学性能仍得益于相对密度的提高和孔隙形态的改善而得到极大提高,其中屈服强度为290 MPa,抗拉强度为558 MPa,伸长率为41.0%,各项指标都达到商用316L不锈钢的标准。保温2.5 h、7.5 h样品中的δ-铁素体的体积分数都在6%左右,且分布均匀。烧结时,样品底面与氧化铝陶瓷底板之间的摩擦、粘连作用阻碍了下底面的收缩,使其孔隙多于其他面。采用较优工艺参数,试制出具有曲面、空腔、薄壁、网孔等结构元素的转子、叶轮、斜齿轮等复杂零件,各零件相对密度在91.3%到92.6%之间,与条件实验的结果吻合较好。使用过的316L不锈钢粉末经150目筛网筛除粉末团聚物后,几乎可以全部回收再次用作BJ3DP打印原料。
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