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适用不锈钢的增材制造技术研究

2022-06-27 16:58:05

来源:世界金属导报

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增材制造技术在近几年才出现,但因其独特性,很快便引起了业界的极大关注。增材制造技术的共同特征是在3D计算机模型的驱动下,通过一层层的材料沉积来创建物体,从而获得接近最终的形状,也称为“近净形状”。增材制造技术不仅可以使用合金,还可以使用不锈钢作为原材料。

粉末床熔融(PBF)

PBF增材制造工艺步骤如下:

1)在成形平台上涂覆一层厚度通常为0.04mm的粉末;

2)激光束根据待打印部件的横截面熔融该层;

3)根据塑型需要重复步骤1)、2),直到创建整个模型,未熔化的粉末仍在原位,但在后续处理过程中会被去除;

4)将部件刷除,切掉基底。

PBF成型件性能如下:

1)一定的孔隙率,在1%-5%之间;

2)各向异性拉伸性能,通常Z轴上较低;

3)与锻件相比,冲击值和疲劳寿命更低。

PBF工艺成型件修复性如下:

1)根据合金的不同,可能需要进行热处理;

2)热等静压(HIP)工艺可用于降低孔隙率(<0.2%),提高延性、疲劳寿命和抗冲击性。按照蓝图要求执行精加工步骤。

电子束熔融技术(EBM)是激光的一种可替代方法,但价格更高,对使用不锈钢为原料的增材制造工艺而言没有额外的益处,因此不是不锈钢适用的增材制造技术。

PBF工艺的优点包括:

1)可以塑造复杂形状部件,这是其他方式无法实现的;

2)形成单个部件,替换由多个零件组成的部件;

3)可以按照几何形状而不是体积进行设计,以更少的材料和更轻的重量获得结构强度;

4)由于零件为近净形状,因此节省了原材料;

5)以数据库取代了实物库存;

6)零件可以在任何地方生产,尽可能靠近目标地点;

7)节省库存和运输成本,减少物流、包装以及相关的能源使用;

8)是快速开发原型的理想选择。

PBF工艺的不足之处包括:

1)粉末昂贵;

2)沉积速率低,造型缓慢;

3)在技术系列中没有竞争力;

4)尺寸受到了密封室的限制;

5)由于各向异性,在Z方向上强度较低;

6)残余孔隙率小于0.5%;

7)冲击性能和疲劳寿命低于锻制品;

8)HIP价格昂贵,而且交货期长;

9)通常需要精加工步骤 (刷除粉末、从基座上切下、抛光和/或最后加工)。

不锈钢非常适于PBF工艺,一系列钢种均可提供粉末形式,传统方法无法生产的新型合金,可以由气体雾化技术生产。目前,不锈钢的PBF工艺主要应用于航空航天、医疗、能源等诸多对部件性能要求苛刻的行业领域。

金属黏结剂喷射(MBJ)

MBJ步骤如下:在成形平台上铺放粉末层之后,通过打印机喷嘴输送黏结剂,金属粉末被凝聚。重复这一过程,直到零件完成,由黏结剂凝聚的金属粉末组成。MBJ工艺制备的零件易碎,须小心搬运。

MBJ成型件的下一个处理步骤是去脱脂,其中大部分黏结剂从零件去除。这可以通过溶剂法、热法或催化法来实现,每种方法都有其优缺点,须小心操作,以避免翘边、起泡或破裂。去除黏结剂后,零部件仍然很脆弱,须小心处理。

热处理后的成型件还要进行烧结。烧结是致密化的过程,在这个过程中,颗粒表面发生扩散,金属零件开始粘结在一起,封闭了黏结剂材料以前所在的空隙。该零件发生15%-20%的线性收缩。烧结工序产生了致密的、不含聚合物的金属成型件,并且还是各向同性的,在所有方向上都显示出相同的性质。

MBJ工艺的优点包括:

1)比粉末床熔融工艺塑型速度快50-100倍;

2)成本相当于粉末床熔融工艺的二十分之一;

3)无各向异性;

4)不需要支撑材料;

5)良好的分辨率;

6)适用于大型复杂零件;

7)近净形状。

MBJ工艺的不足之处包括:

1)粉末昂贵;

2)尺寸受限;

3)残余孔隙率(~3%);

4)需要多个处理步骤(打印→去除树脂→烧结);

5)烧结过程中的收缩控制至关重要;

6)烧结过程中的变形风险;

7)限制壁厚(5-10mm);

8)通常需要进行最终加工。

MBJ工艺适用于不锈钢,但不常用。

增材制造将在运营效率和成本方面产生“范式转变”,这归功于:

1)全新的优化设计;

2)极大地缩短了部件交货期;

3)支持更小、更简单的供应链库存;

4)成型件尺寸不限。

进一步的技术开发将提高增材制造塑型能力,例如开发新钢种粉末、DED连续沉积不同的金属、通过更强大的热源提高生产率等。

在标准化方面,由ASTM F42和ISO/TC 261委员会执行的标准开发仍处于早期阶段,因此需要客户和增材制造企业之间保持良好的联系。

总之,不锈钢具有良好的耐腐蚀性,凭借其广泛应用的性能,一直被用作增材制造的首选金属材料。