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)劑噴射工藝的時候，國內(nèi)市場的判斷主要集中在兩方面，一是粘結(jié)劑噴射金屬3D打印工藝聽起來并不新鮮，市場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，市場上對該技術(shù)對產(chǎn)品的變形（縮小），以及零件的致密度頗有質(zhì)疑。

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

接下來，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，來領(lǐng)略粘結(jié)劑噴射BJP和激光熔化DMLS 3D打印的競合關(guān)系。

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

不同工藝對應(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)來實現(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�。˙JP）。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)性能是研究中報道最廣泛的。相反，對BJP工藝的探索相對較少。使用該工藝生產(chǎn)的金屬零件，其結(jié)構(gòu)-性能相關(guān)性還沒有獲得廣泛關(guān)注。

BJP工藝的主要優(yōu)點是它能夠（相對于其他粉床工藝）以相對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，可能會對其性能造成深刻影響。來自南洋理工大學(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，通過配備YAG光纖激光器的Concept Laser Machine打印總長度為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。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，并用長軸與制造方向一致的樣品（即僅在P方向上）進(jìn)行了無缺口疲勞試驗。

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，疲勞強度，能與CM合金相媲美。SLM試樣屈服強度更高，延展性更差，疲勞強度不如前述試樣，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，屈服強度與疲勞強度對比

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，延展性和疲勞強度都不會受到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。

總的來說，BJP和CM 316L不銹鋼均具有強大的加工硬化能力，賦予了它們極大的延展性。SLM合金具有較高的屈服強度，但位錯在塑性變形開始時就發(fā)生交滑移，從而縮短了加工硬化過程，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：BJP的較高孔隙率并不對高周疲勞性能造成不利影響，但它降低了屈服強度。因此，降低孔隙率基本上可以提升BJP零件的屈服強度，使之與CM合金的一樣。對于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)而提高疲勞強度。