一种脱粘烧结型熔丝增材制造316L不锈钢零件的制备方法及不锈钢零件

摘要

本发明属于增材制造领域，涉及一种脱粘烧结型熔丝增材制造316L不锈钢零件的制备方法及不锈钢零件。通过在现有常规丝材成分中添加适量的铜粉，混合均匀制成丝材后，再进行打印、脱粘、烧结加工，得到的316L不锈钢零件各方面性能均有一定提升：316L不锈钢零件致密度提高；316L不锈钢零件力学性能显著提升，具体地体现为抗拉强度和延伸率的增加；特别地，对于使用316L不锈钢细粉制造的316L不锈钢零件来说，其表面抗菌效果随着铜含量的提升而提升，且效果显著。

说明书

技术领域

本发明属于增材制造领域，涉及一种脱粘烧结型熔丝增材制造316L不锈钢零件的制备方法及不锈钢零件。

背景技术

3D打印也称增材制造，是智能制造技术的一种形式。世界各国纷纷将增材制造作为未来产业发展新增长点。以云计算、大数据、增材制造等为核心、以“工业4.0”为标志的新一轮产业革命正在来临，制造业将成为国家经济竞争力的关键所在。欧美等发达国家将增材制造作为“再工业化”、“重新夺回制造业”、“重振经济”的国家战略，德国长期在金属不锈钢零件增材制造技术方面处于领先地位。我国明确将“增材制造”作为规划发展的重点领域，中国工程院也将3D打印及其材料列为了“前沿新材料领域发展的重点方向”。增材制造作为智能制造技术的典型，颠覆了设计加工及物流仓储思路，提高了产品迭代效率，降低了资源消耗，在航空、航天、汽车、海洋及医疗领域具有远大的发展前景。

脱粘烧结型熔丝增材制造技术使用的丝材不是单纯的高分子材料，而是金属或陶瓷粉末与高分子的熔融混合物，其中高分子作为粘结剂。控制速度和温度使高装载量混合料被均匀挤出成丝材，由传送带和牵引装置驱动并收集，经测量装置确定直径符合要求后绕丝成卷，所得丝材即是用于脱粘烧结型熔丝增材制造的喂料。完整工艺包含制丝、打印、脱粘、烧结三个主要过程，打印阶段得到的三维结构称为坯体，经脱粘(溶剂脱粘或催化脱粘、热脱粘)去除高分子后得到灰坯，再经烧结致密化得到最终的金属或陶瓷构件。

相较于选区激光熔化技术，脱粘烧结型熔丝增材制造技术具有安全稳定、速度快、成本低、成型率高等优势，有望实现金属、陶瓷及复合材料零件的批量化生产，逐渐引起广泛关注，在实际生产制造中经常出现制得的不锈钢零件致密度不够高，力学性能如延伸率和抗拉强度不足的问题。

因此，需要一种新的技术以解决上述问题。

发明内容

为了克服现有技术中的不足，本发明提供了一种脱粘烧结型熔丝增材制造316L不锈钢零件的制备方法及不锈钢零件。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

一种脱粘烧结型熔丝增材制造316L不锈钢零件的制备方法，包括如下步骤：

(1)在包括316L不锈钢粉末、粘结剂的已有丝材成分中添加适量的铜粉，将上述组分混合均匀后制成丝材；

(2)使用FDM 3D打印机将步骤(1)中所制丝材打印成形，得到初始状态的316L不锈钢零件坯体；

(3)对初始状态的316L不锈钢零件坯体先使用溶剂浸泡，再在350～440℃的环境下加热，得到脱粘后的316L不锈钢零件坯体；

(4)脱粘后的316L不锈钢零件坯体在管式炉中置于纯氢气气氛下，均匀升温至1300～1400℃，并继续保温，之后均匀降温，随管式炉自然冷却，得到最终的316L不锈钢零件。

具体地，步骤(1)中所述316L不锈钢粉末在已有丝材中的体积占比根据316L不锈钢粉末的直径不同分为两种情况：

316L不锈钢粗粉指316L不锈钢粉末中粒径小于30μm的颗粒数量占比约为50％，316L不锈钢粗粉所制丝材中316L不锈钢粗粉体积占比为50％～55％；

316L不锈钢细粉指316L不锈钢粉末中粒径小于10μm的颗粒数量占比超过50％，316L不锈钢细粉所制丝材中316L不锈钢粗粉体积占比为60％～65％。

具体地，粘结剂的组分包括以下体积份数的原料：聚丙烯5份，橡胶2份，石蜡2份。

具体地，铜粉相对于316L不锈钢粉末的质量分数为0.1％～5.0％。

具体地，步骤(3)中溶剂为温度保持在60～70℃的环己烷，浸泡时长为6～18h，在350～440℃环境下加热时长为4h，以充分脱去粘结剂。

具体地，步骤(4)中高温烧结细节为：均匀升温与均匀降温的速度均为5℃/min，保温的时长为4h。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本方案最终制得的316L不锈钢零件各方面性能相较现有方案均有不同程度的提高：316L不锈钢零件的致密度提高；316L不锈钢零件的力学性能显著提高，具体地体现为抗拉强度和延伸率的增加；特别地，对于使用316L不锈钢细粉制造的316L不锈钢零件来说，其表面抗菌效果随着铜含量的提升而提升，且效果显著。对于316L不锈钢零件的生产制造来说，是一种实施简便，效果显著的优化方案。

具体实施方式

下面结合具体实施方式，进一步阐明本发明，应理解下述具体实施方式仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。

本发明实施所采用的FDM 3D打印机型号为WANHAO Duplicator 4S，所用烧结炉型号为天津中环SK-G06163。

本实施方式提供了一种脱粘烧结型熔丝增材制造316L不锈钢零件的制备方法及不锈钢零件，包括以下步骤：

(1)在包括316不锈钢粉末、组分包括体积份数为：聚丙烯5份、橡胶2份、石蜡2份的粘结剂的已有丝材成分中添加适量的铜粉，将上述组分混合均匀后制成丝材。

(2)使用FDM 3D打印机将丝材打印成形，得到初始状态的316L不锈钢零件坯体。

(3)对初始状态的316L不锈钢零件坯体先采用温度为60～70℃的环己烷作为溶剂浸泡6～18h，再在350～440℃下保温4h，得到脱粘后的316L不锈钢零件坯体。

(4)脱粘后的316L不锈钢零件坯体在管式炉中置于纯氢气气氛下，以5℃/min的升温速度均匀升温至1300～1400℃，并继续保温4h，之后以5℃/min的降温速度均匀降温至500℃，随管式炉自然冷却，得到最终的316L不锈钢零件。

具体地，步骤(1)中所述316L不锈钢粉末在已有丝材中的体积占比根据316L不锈钢粉末的直径不同分为两种情况：

316L不锈钢粗粉指316L不锈钢粉末中粒径小于30μm的颗粒数量占比约为50％，316L不锈钢粗粉所制丝材中316L不锈钢粗粉体积占比为50％～55％，316L不锈钢粗粉体积占比超过55％后丝材将出现断裂；

316L不锈钢细粉指316L不锈钢粉末中粒径小于10μm的颗粒数量占比超过50％，316L不锈钢细粉所制丝材中316L不锈钢粗粉体积占比为60％～65％，316L不锈钢细粉体积占比超过65％后丝材将出现断裂。

具体地，步骤(4)中均匀降温至500℃，降温至此温度节点为本型号管式炉性能限制，并非工艺要求的一部分。

下面结合实施例对本发明作进一步详细说明：

实施例1：

(1)使用316L不锈钢粗粉制备丝材，所用316L不锈钢粗粉中粒径小于30μm的颗粒数量占比约为50％，316L不锈钢粗粉丝材中316L不锈钢粗粉体积占比为50％，加入相对于316L不锈钢粗粉质量分数为0.444％的铜粉，余量为组分包括体积份数为：聚丙烯5份、橡胶2份、石蜡2份的粘结剂。上述组分混合均匀后制成丝材。

(2)使用FDM 3D打印机将丝材打印成形，得到初始状态的316L不锈钢零件坯体。

(3)对所得初始状态的316L不锈钢零件坯体采用70℃的环己烷作为脱粘用溶剂浸泡6h，再在440℃下保温4h，得到脱粘后的316L不锈钢零件坯体。

(4)脱粘后的316L不锈钢零件坯体在管式炉中置于纯氢气气氛下，以5℃/min的升温速度均匀升温至1350℃，并继续保温4h，之后以5℃/min的降温速度均匀降温至500℃，随管式炉自然冷却，得到最终的316L不锈钢零件。

本实施例所得的316L不锈钢零件致密度为81.4％，抗拉强度为101.46MPa，延伸率为2.58％。

实施例2：

(1)使用316L不锈钢粗粉制备丝材，所用316L不锈钢粗粉中粒径小于30μm的颗粒数量占比约为50％，316L不锈钢粗粉丝材中316L不锈钢粗粉体积占比为50％，加入相对于316L不锈钢粗粉质量分数为2.182％的铜粉，余量为组分包括体积份数为：聚丙烯5份、橡胶2份、石蜡2份的粘结剂。上述组分混合均匀后制成丝材。

(2)使用FDM 3D打印机将丝材打印成形，得到初始状态的316L不锈钢零件坯体。

(3)对所得初始状态的316L不锈钢零件坯体采用70℃的环己烷作为脱粘用溶剂浸泡6h，再在350℃下保温4h，得到脱粘后的316L不锈钢零件坯体。

(4)脱粘后的316L不锈钢零件坯体在管式炉中置于纯氢气气氛下，以5℃/min的升温速度均匀升温至1350℃，并继续保温4h，之后以5℃/min的降温速度均匀降温至500℃，随管式炉自然冷却，得到最终的316L不锈钢零件。

本实施例所得的316L不锈钢零件致密度为78.00％，抗拉强度为121.03MPa，延伸率为4.24％。

实施例3：

(1)使用316L不锈钢细粉制备丝材，所用316L不锈钢细粉中粒径小于10μm的颗粒数量占比超过50％，细粉丝材中316L不锈钢细粉体积占比为60％,加入相对于316L不锈钢细粉质量分数为0.444％的铜粉，余量为组分包括体积份数为：聚丙烯5份、橡胶2份、石蜡2份的粘结剂。上述组分混合均匀后制成丝材。

(2)使用FDM 3D打印机将丝材打印成形，得到初始状态的316L不锈钢零件坯体。

(3)对所得初始状态的316L不锈钢零件坯体采用60℃的环己烷作为脱粘用溶剂浸泡6h，再在440℃下保温4h，得到脱粘后的316L不锈钢零件坯体。

(4)脱粘后的316L不锈钢零件坯体在管式炉中置于纯氢气气氛下，以5℃/min的升温速度均匀升温至1350℃，并继续保温4h，之后以5℃/min的降温速度均匀降温至500℃，随管式炉自然冷却，得到最终的316L不锈钢零件。

本实施例所得的含铜316L不锈钢零件致密度为98.20％，抗拉强度为482.73MPa，延伸率为50.09％。

实施例4：

(1)使用316L不锈钢细粉制备丝材，所用316L不锈钢细粉中粒径小于10μm的颗粒数量占比超过50％，细粉丝材中316L不锈钢细粉体积占比为60％,加入相对于316L不锈钢细粉质量分数为2.182％的铜粉，余量为组分包括体积份数为：聚丙烯5份、橡胶2份、石蜡2份的粘结剂。上述组分混合均匀后制成丝材。

(2)使用FDM 3D打印机将丝材打印成形，得到初始状态的316L不锈钢零件坯体。

(3)对所得初始状态的316L不锈钢零件坯体采用60℃的环己烷作为脱粘用溶剂浸泡18h，再在350℃下保温4h，得到脱粘后的316L不锈钢零件坯体。

(4)脱粘后的316L不锈钢零件坯体在管式炉中置于纯氢气气氛下，以5℃/min的升温速度均匀升温至1350℃，并继续保温4h，之后以5℃/min的降温速度均匀降温至500℃，随管式炉自然冷却，得到最终的316L不锈钢零件。

本实施例所得的含铜316L不锈钢零件致密度为97.60％，抗拉强度为448.99MPa，延伸率为43.15％。

为了进一步说明上述实施例带来的有益效果，以下提供两个常规方案的对比例所制造的316L不锈钢零件用以做对比：

对比例1：

(1)使用316L不锈钢粗粉制备丝材，所用316L不锈钢粗粉中粒径小于30μm的颗粒数量占比约为50％，粗粉丝材中316L不锈钢粗粉体积占比为50％，余量为组分包括体积份数为：聚丙烯5份、橡胶2份、石蜡2份的粘结剂。上述组分混合均匀后制成丝材。

(2)使用FDM 3D打印机将丝材打印成形，得到初始状态的316L不锈钢零件坯体。

(3)对所得初始状态的316L不锈钢零件坯体采用70℃的环己烷作为脱粘用溶剂浸泡6h，再在350℃下保温4h，得到脱粘后的316L不锈钢零件坯体。

(4)脱粘后的316L不锈钢零件坯体在管式炉中置于纯氢气气氛下，以5℃/min的升温速度均匀升温至1350℃，并继续保温4h，之后以5℃/min的降温速度均匀降温至500℃，随管式炉自然冷却，得到最终的316L不锈钢零件。

本对比例所得的316L不锈钢零件致密度为75.10％，抗拉强度为78.40MPa，延伸率为1.86％。

对比例2：

(1)使用316L不锈钢细粉制备丝材，所用不锈钢细粉中粒径小于10μm的颗粒数量占比超过50％，细粉丝材中316L不锈钢细粉体积占比为60％,余量为组分包括体积份数为：聚丙烯5份、橡胶2份、石蜡2份的粘结剂。上述组分混合均匀后制成丝材。

(2)使用FDM 3D打印机将丝材打印成形，得到初始状态的316L不锈钢零件坯体。

(3)对所得初始状态的316L不锈钢零件坯体采用60℃的环己烷作为脱粘用溶剂浸泡18h，再在350℃下保温4h，得到脱粘后的316L不锈钢零件坯体。

(4)脱粘后的316L不锈钢零件坯体在管式炉中置于纯氢气气氛下，以5℃/min的升温速度均匀升温至1350℃，并继续保温4h，之后以5℃/min的降温速度均匀降温至500℃，随管式炉自然冷却，得到最终的316L不锈钢零件。

本对比例所得的316L不锈钢零件致密度为96.20％，抗拉强度为438.22MPa，延伸率为25.08％。

特别地，对于以上实施例及对比例所得的316L不锈钢零件进行表面抗菌测试实验：

在316L不锈钢零件试验组及空白对照组同时进行24h大肠杆菌培养后：

对于空白对照组，菌落数为7.9×10

对于316L不锈钢粗粉所制得的零件，无论实施例还是对比例，菌落数均＜20CFU/cm

对于316L不锈钢细粉所制得的零件，未添加铜粉的对比例2中316L不锈钢零件菌落数为2.7×10

通过常规方案对比例与本方案提供的两个实施例相比对可知，本发明使用的一种脱粘烧结型熔丝增材制造316L不锈钢零件的制备方法所得316L不锈钢零件的力学性能得到不同程度的提高，其中实施例1、2中316L不锈钢粗粉所制造的不锈钢零件相较对比例1中316L不锈钢粗粉所制造的不锈钢零件来说，致密度、抗拉强度、延伸率均有提高；实施例3、4中316L不锈钢细粉所制造的不锈钢零件相较对比例2中316L不锈钢细粉所制造的不锈钢零件来说，致密度、抗拉强度、延伸率也均有提高。从数据比对结果来看，无论是细粉或粗粉所制造的316L不锈钢零件，其力学性能均有明显提升。

通过额外的表面抗菌测试实验结果分析，加入铜粉后的316L不锈钢细粉所制得的316L不锈钢零件表面抗菌能力有明显提升，且抗菌效果随着铜粉含量的提高而提高。

本发明具体实现该技术方案的方法和途径很多，以上所述仅是本发明的优选实施方式。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。本实施例中未明确的各组成部分均可用现有技术加以实现。