铁基金属粉末激光烧结与等静压复合成形技术研究

摘要

选择性激光烧结（Selective Laser Sintering，SLS）间接法能够制造任意复杂结构金属零件，但存在孔隙率高和强度低的缺陷。尽管通过高温烧结和熔渗工艺能够改善上述缺陷，但烧结后零件必然出现变形收缩，而且熔渗材料会“污染”零件机械性能。为此，本研究将SLS与等静压（Isostatic Pressing，IP）技术结合，形成SLS/CIP/HIP复合成形技术，充分利用它们各自的技术优势，取长补短，实现高性能复杂金属零件的快速制造。主要研究内容与结论如下： （1）制定了SLS/CIP/HIP技术的基本工艺路线。采用混合法制备了实验用铁基复合粉末（Fe-C、Fe-Ni-C、Fe-Cu-C）以及AISI304不锈钢粉末，以环氧树脂E-12作为粘结剂，并通复合工艺成形测试件和齿轮、叶轮零件。通过SLS生坯成形、脱脂预烧、冷等静压、高温烧结和热等静压处理后，合金零件获得较高致密度和良好的机械性能，且保持了整体形状结构。 （2）研究了SLS/CIP用包套材料。双组分室温硫化硅橡胶RTV-2固化速度快，弹性、成膜性和密封性良好，并且能够随形密封复杂SLS零件，适用于SLS/CIP包套制作。 （3）研究了工艺与合金元素对零件致密度的影响。根据阿基米德原理对每一工艺步骤后零件进行致密度测量，数据表明，SLS生坯件经过脱脂后致密度只有40％左右，而CIP后零件致密度基本达到90％以上，通过高温烧结和HIP能进一步使零件均匀致密。其中，以合金Fe-0.5C的致密度最高，达到98.5％。 （4）研究了CIP工作压力与AISI304压坯致密度的关系。对AISI304不锈钢SLS生坯进行不同压力下的CIP致密化处理，得出AISI304压坯致密度随CIP压力的变化曲线，经验证基本符合双对数压制理论，并得出本实验AISI304不锈钢生坯冷等静压压制规律公式。 （5）研究了工艺与合金元素对零件微观组织与机械性能的影响。采用环境扫描电镜与万能拉伸试验机分别对HIP后试样微观组织和力学性能进行观察和测试。结果表明，Fe-C合金显微组织主要为珠光体和铁素体，而Fe-Ni-C、Fe-Cu-C合金中还分别存在Fe-Ni和Fe-Cu强化相，使机械性能得到提高。HIP零件机械性能比传统的SLS/高温烧结零件好，且在弹性模量和延伸率上都高于熔渗后处理零件。其中，以合金Fe-5Cu-0.5C最好，其0.2屈服强度达417MPa，抗拉强度521MPa，弹性模量139.5GPa，延伸率7.9％。 综上所述，SLS/CIP/HIP复合成形技术制造高致密与良好力学性能复杂金属零件的工艺路线切实可行。本研究促进了SLS技术向高性能、高复杂度金属零件的高效成形制造方向发展，拓宽了SLS与等静压技术的应用领域，具有重要的理论和工程意义。