粘結劑噴射BJP和激光熔化DMLS 3D打印的316L體不銹鋼疲勞性能比較

來源：材料科學與工程

當Desktop Metal推出金屬粘結劑噴射工藝的時候，國內市場的判斷主要集中在兩方面，一是粘結劑噴射金屬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有了類似的技術；二是金屬粉末以粘結劑的方式粘結在一起，還需要進一步的燒結工作去除掉粘結劑這些化學成分，市場上對該技術對產品的變形（縮?。约傲慵闹旅芏阮H有質疑。

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

接下來，結合材料科學與工程發(fā)布的南洋理工發(fā)表的《Fatigue Strength of additively manufacured 316L austenitic stainless steel》關于增材制造316L不銹鋼的疲勞性能研究，來領略粘結劑噴射BJP和激光熔化DMLS 3D打印的競合關系。

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

不同工藝對應不同的微觀結構
金屬部件的增材制造（AM）可以使用多種不同的工藝技術來實現，這些技術使用粉末、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技術分別使用激光束和電子束熔化粉末，使用這兩種技術制造的不同合金部件的微觀結構和力學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。使用該工藝生產的金屬零件，其結構-性能相關性還沒有獲得廣泛關注。

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零件。重要的是，它適用于任何種類的合金，而使用SLM / EBM技術的增材制造只能在少數合金上進行。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構，孔隙率及其對拉伸和高周疲勞（HCF）行為的影響。相關論文以題為 “Fatigue strength of additively manufactured 316L austenitic stainless steel”發(fā)表在Acta Materialia。

為了進行疲勞試驗，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90°。打印后，將這些樣品在500°C去應力退火一小時。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）上進行了準靜態(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）進行了無缺口疲勞試驗。

使用HP惠普的粘結劑噴射金屬3D打印技術，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，在熔爐中粘合劑分解，金屬粉末熔化形成試樣。燒結的最后階段在氫氣氛圍中于1380℃下進行了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 設定的標準，適用于壓力容器或一般用途。

結果表明，BJP試樣（含有顯著數量的孔隙）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構可以解釋這些結果：這是由于它們所經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，以及其他微結構因素的結合，導致在準靜態(tài)和循環(huán)載荷下阻止了在孔角處成核的小裂紋；結果，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，蜂窩結構大大提高了屈服強度，柱狀晶粒太細，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增材制造合金的設計：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，進而提高疲勞強度。