粘結(jié)劑噴射BJP和激光熔化DMLS 3D打印的316L體不銹鋼疲勞性能比較

來(lái)源：材料科學(xué)與工程

當(dāng)Desktop Metal推出金屬粘結(jié)劑噴射工藝的時(shí)候,，國(guó)內(nèi)市場(chǎng)的判斷主要集中在兩方面，一是粘結(jié)劑噴射金屬3D打印工藝聽(tīng)起來(lái)并不新鮮,，市場(chǎng)上有的公司早在多年之前就已經(jīng)有了類似的技術(shù),；二是金屬粉末以粘結(jié)劑的方式粘結(jié)在一起，還需要進(jìn)一步的燒結(jié)工作去除掉粘結(jié)劑這些化學(xué)成分,，市場(chǎng)上對(duì)該技術(shù)對(duì)產(chǎn)品的變形（縮�,。�，以及零件的致密度頗有質(zhì)疑,。

不過(guò)隨著粘結(jié)劑噴射金屬3D打印工藝走向產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用,，通過(guò)材料技術(shù)與軟件控制技術(shù)，其變形與致密度的痛點(diǎn)正在獲得一一解決,。

接下來(lái),，結(jié)合材料科學(xué)與工程發(fā)布的南洋理工發(fā)表的《Fatigue Strength of additively manufacured 316L austenitic stainless steel》關(guān)于增材制造316L不銹鋼的疲勞性能研究，來(lái)領(lǐng)略粘結(jié)劑噴射BJP和激光熔化DMLS 3D打印的競(jìng)合關(guān)系,。

△論文《Fatigue Strength of additively manufacured 316L austenitic stainless steel》

不同工藝對(duì)應(yīng)不同的微觀結(jié)構(gòu)
金屬部件的增材制造（AM）可以使用多種不同的工藝技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn),，這些技術(shù)使用粉末、金屬絲或板材作為原材料,。以金屬粉末為原料的增材制造工藝為選區(qū)激光熔化（SLM）,，電子束熔化（EBM）和粘合劑噴射打印（BJP）,。這些都稱為粉床工藝,。SLM和EBM技術(shù)分別使用激光束和電子束熔化粉末，使用這兩種技術(shù)制造的不同合金部件的微觀結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能是研究中報(bào)道最廣泛的,。相反,，對(duì)BJP工藝的探索相對(duì)較少。使用該工藝生產(chǎn)的金屬零件，其結(jié)構(gòu)-性能相關(guān)性還沒(méi)有獲得廣泛關(guān)注,。

BJP工藝的主要優(yōu)點(diǎn)是它能夠（相對(duì)于其他粉床工藝）以相對(duì)較低的成本和更快的速度生產(chǎn)零件,。重要的是，它適用于任何種類的合金,，而使用SLM / EBM技術(shù)的增材制造只能在少數(shù)合金上進(jìn)行,。BJP合金中的孔隙率水平往往很高，可能會(huì)對(duì)其性能造成深刻影響,。來(lái)自南洋理工大學(xué)等單位的研究人員研究了不同制造工藝316L奧氏體不銹鋼的微觀結(jié)構(gòu),，孔隙率及其對(duì)拉伸和高周疲勞（HCF）行為的影響。相關(guān)論文以題為 “Fatigue strength of additively manufactured 316L austenitic stainless steel”發(fā)表在Acta Materialia,。

為了進(jìn)行疲勞試驗(yàn)，通過(guò)配備YAG光纖激光器的Concept Laser Machine打印總長(zhǎng)度為64 mm,，直徑為9 mm的圓柱形SLM試樣,。打印參數(shù)為：激光功率90 W，掃描速度1000 mm/s,，間距150 μm（重疊30％）,，層厚30 μm，連續(xù)層之間的掃描旋轉(zhuǎn)90°,。打印后,，將這些樣品在500°C去應(yīng)力退火一小時(shí)。在P方向和S方向（其中加載方向分別平行于制造方向和垂直于制造方向）上進(jìn)行了準(zhǔn)靜態(tài)拉伸試驗(yàn),，并用長(zhǎng)軸與制造方向一致的樣品（即僅在P方向上）進(jìn)行了無(wú)缺口疲勞試驗(yàn),。

使用HP惠普的粘結(jié)劑噴射金屬3D打印技術(shù)，使用316L粉末和水基液體粘合劑制造了具有10 mm x 10 mm方形橫截面的矩形BJP試樣（長(zhǎng)度= 70 mm）,。在試樣打印之后,，粉床的固化蒸發(fā)了粘合劑的水。然后將生坯試樣在熔爐中燒結(jié),，在熔爐中粘合劑分解,，金屬粉末熔化形成試樣。燒結(jié)的最后階段在氫氣氛圍中于1380℃下進(jìn)行了120分鐘,。BJP試樣以兩種不同的方向制造——垂直和平行于粉末散布的方向,。本文分別稱為P方向和S方向。

CM拉伸試樣是由可在1050℃退火并空冷的市售熱軋板加工而成的,。鋼板的性能滿足ASTM A240 / A240M–17 設(shè)定的標(biāo)準(zhǔn),，適用于壓力容器或一般用途。

結(jié)果表明,，BJP試樣（含有顯著數(shù)量的孔隙）的硬化行為,，延展性，疲勞強(qiáng)度,，能與CM合金相媲美,。SLM試樣屈服強(qiáng)度更高,，延展性更差，疲勞強(qiáng)度不如前述試樣,，盡管它們的孔隙率比BJP試樣要小,。

△BJP,SLM加工工藝加工的不銹鋼孔隙率，屈服強(qiáng)度與疲勞強(qiáng)度對(duì)比

兩種增材制造合金中不同的微觀結(jié)構(gòu)可以解釋這些結(jié)果：這是由于它們所經(jīng)歷的不同加工條件所致,。BJP合金塑性變形的早期階段普遍存在的平面滑移,，以及其他微結(jié)構(gòu)因素的結(jié)合，導(dǎo)致在準(zhǔn)靜態(tài)和循環(huán)載荷下阻止了在孔角處成核的小裂紋,；結(jié)果,，延展性和疲勞強(qiáng)度都不會(huì)受到BJP合金中孔隙率的不利影響。在SLM合金中,，蜂窩結(jié)構(gòu)大大提高了屈服強(qiáng)度,，柱狀晶粒太細(xì)，取向差不夠大,、晶粒也不夠粗大從而不足以止裂,。

總的來(lái)說(shuō)，BJP和CM 316L不銹鋼均具有強(qiáng)大的加工硬化能力,，賦予了它們極大的延展性,。SLM合金具有較高的屈服強(qiáng)度，但位錯(cuò)在塑性變形開(kāi)始時(shí)就發(fā)生交滑移,，從而縮短了加工硬化過(guò)程,，從而影響了延展性。這一研究成果可以指導(dǎo)增材制造合金的設(shè)計(jì)：BJP的較高孔隙率并不對(duì)高周疲勞性能造成不利影響,，但它降低了屈服強(qiáng)度,。因此，降低孔隙率基本上可以提升BJP零件的屈服強(qiáng)度,，使之與CM合金的一樣,。對(duì)于SLM試樣，很明顯,，應(yīng)將熔合不足的孔減少到最低限度（如果不能完全消除的話）,，以減少整體孔隙率，進(jìn)而提高疲勞強(qiáng)度,。