不锈钢粉末选择性激光烧结/等静压复合成形技术研究

摘要

选择性激光烧结(Selective Laser Sintering，SLS) 技术是快速成形(RapidPrototyping,RP)领域发展较成熟与应用较广泛的技术之一，一直受到国内外重视。但是通过SLS 技术制造金属零件，存在致密度低与力学性能差等缺陷，严重限制了其发展与应用。尽管近年来国内外研究通过熔渗金属等方法提高SLS 零件的致密度，但是其力学性能依然难以满足使用要求。针对上述问题，为了制造高致密高性能复杂不锈钢零件，本论文将等静压(Isostatic Pressure，IP)技术引入SLS 领域，形成SLS/IP复合成形技术。采用SLS/IP 技术制造AISI304 与AISI316L 不锈钢零件，通过TG 热分析、X 射线衍射（XRD）、SEM 以及力学性能检测等手段研究AISI304 与AISI316LSLS/IP 零件致密化机理、金相组织与力学性能；在脱脂后续处理阶段零件各向收缩相同条件下，建立各环节尺寸精度数学物理模型，为进一步研究其尺寸精度奠定理论基础。主要研究内容与结论如下： （1）研究了AISI304 与AISI316L 不锈钢粉末SLS 成形与热脱脂机理及其工艺。 针对本论文非晶态高聚物环氧树脂E12 与晶态高聚物尼龙PA12 两种粘结剂，采取混合法与覆膜法制取了上述两种SLS 不锈钢复合材料，确定了相应最佳SLS 成形工艺参数（预热温度、激光功率、扫描速度、扫描间距与单层层厚）分别为50-55℃、19-20W、1900-2000mm/s、0.1-0.12mm/s、0.1-0.12mm 与150-165℃、15-17W、1800-2000mm/s、0.1-0.15mm、0.1-0.15mm；根据热脱脂机理以及E12和PA12的TG 曲线，制定了合理的热脱脂工艺。 （2）研究了SLS/冷等静压(Cold Isostatic Pressure，CIP)包套材料（天然橡胶胶乳与硅橡胶），提出将天然橡胶胶乳运用到SLS/CIP工艺。相对于硅橡胶，天然橡胶胶乳成膜性较好，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AISI304 与AISI316L SLS 零件的热脱脂后续处理机理与工艺，以及相应工艺参数对其致密度与性能的影响规律，并提出其SLS/CIP 致密化机理与最小SLS/CIP 阀值思想。其中，根据CIP 理论与SLS 脱脂多孔材料特性，上述不锈钢SLS/CIP 致密化机理为烧结颈破碎、金属颗粒重排与塑性变形综合作用；针对AISI304不锈钢脱脂试样，最小SLS/CIP 阀值为400MPa；在经过650MPa CIP、1350℃高温烧结与1200℃/120MPa 热等静压(Hold Isostatic Pressure，HIP)处理后，其致密度分别达到86％、95％与98％；并且，其SLS/HIP 试样的弹性模量、屈服强度、拉伸强度与延伸率分别达到93.15GPa、306MPa、577.5MPa 与32.05％，力学性能与固溶处理AISI304 致密材料相当；针对AISI316L 不锈钢脱脂试样，最小SLS/CIP 阀值为300MPa；在1320℃高温烧结与1250℃/120MPa HIP 处理后，其致密度超过95％；同时，其弹性模量、屈服强度、拉伸强度与延伸率分别达到142.5GPa、277MPa、649.49MPa 与45.7％。 （4）在高温烧结与HIP 环节，研究了微量Cu 与FeB 对AISI304 试样致密度、弹性模量、屈服强度、拉伸强度与延伸率的影响规律，以及微量Si 与FeMn 对AISI316L 试样致密度、弹性模量、屈服强度、拉伸强度与延伸率的影响规律。根据液相烧结理论与XRD 检测方法，微量Cu 与FeB 均能提高AISI304 SLS/IP 试样致密度，并且，当Cu 含量从1％增加到3％时，在奥氏体基体上析出NixCuy 固溶体，致使其力学性能逐渐改善，当FeB 含量从0.5％增加到5％，Fe-B 与Ni-B 低熔共晶物沿晶界析出，致使其力学性能逐渐降低；微量Si 与FeMn 可提高AISI316L SLS/IP试样致密度，但在SLS/CIP 后续处理中，Si 容易导致碳化铬沿晶界析出，致使其力学性能降低，但是微量FeMn 可改善其力学性能。 （5）研究了SLS/IP 制件在各环节上尺寸精度变化规律与控制措施以及脱脂后续处理尺寸精度数学物理模型。主要提出了SLS/CIP 环节尺寸精度数学物理模型。 综上所述，通过SLS/IP 技术解决了SLS 零件致密度低与力学性能差等缺陷，完善了SLS 技术，拓宽了其应用领域，为制造高致密高性能高精度复杂金属零件奠定了技术基础。