粘结剂喷射BJP和激光熔化DMLS 3D打印的316L体不锈钢疲劳性能比较

以下文章来源于材料科学与工程 ,作者材料科学与工程

当Desktop Metal推出金属粘结剂喷射工艺的时候,国内市场的判断主要集中在两方面,一是粘结剂喷射金属3D打印工艺听起来并不新鲜,市场上有的公司早在多年之前就已经有了类似的技术;二是金属粉末以粘结剂的方式粘结在一起,还需要进一步的烧结工作去除掉粘结剂这些化学成分,市场上对该技术对产品的变形(缩小),以及零件的致密度颇有质疑。

不过随着粘结剂喷射金属3D打印工艺走向产业化应用,通过材料技术与软件控制技术,其变形与致密度的痛点正在获得一一解决。

本期,3D科学谷与谷友结合材料科学与工程发布的南洋理工发表的《Fatigue Strength of additively manufacured 316L austenitic stainless steel》关于增材制造316L不锈钢的疲劳性能研究,来领略粘结剂喷射BJP和激光熔化DMLS 3D打印的竞合关系。

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 Paper_1论文《Fatigue Strength of additively manufacured 316L austenitic stainless steel》

不同工艺对应不同的微观结构

金属部件的增材制造(AM)可以使用多种不同的工艺技术来实现,这些技术使用粉末、金属丝或板材作为原材料。以金属粉末为原料的增材制造工艺为选区激光熔化(SLM),电子束熔化(EBM)和粘合剂喷射打印(BJP)。这些都称为粉床工艺。SLM和EBM技术分别使用激光束和电子束熔化粉末,使用这两种技术制造的不同合金部件的微观结构和力学性能是研究中报道最广泛的。相反,对BJP工艺的探索相对较少。使用该工艺生产的金属零件,其结构-性能相关性还没有获得广泛关注。

BJP工艺的主要优点是它能够(相对于其他粉床工艺)以相对较低的成本和更快的速度生产零件。重要的是,它适用于任何种类的合金,而使用SLM / EBM技术的增材制造只能在少数合金上进行。BJP合金中的孔隙率水平往往很高,可能会对其性能造成深刻影响。来自南洋理工大学等单位的研究人员研究了不同制造工艺316L奥氏体不锈钢的微观结构,孔隙率及其对拉伸和高周疲劳(HCF)行为的影响。相关论文以题为 “Fatigue strength of additively manufactured 316L austenitic stainless steel”发表在Acta Materialia。

为了进行疲劳试验,通过配备YAG光纤激光器的Concept Laser Machine打印总长度为64 mm,直径为9 mm的圆柱形SLM试样。打印参数为:激光功率90 W,扫描速度1000 mm/s,间距150 µm(重叠30%),层厚30 µm,连续层之间的扫描旋转90°。打印后,将这些样品在500°C去应力退火一小时。在P方向和S方向(其中加载方向分别平行于制造方向和垂直于制造方向)上进行了准静态拉伸试验,并用长轴与制造方向一致的样品(即仅在P方向上)进行了无缺口疲劳试验。

使用HP惠普的粘结剂喷射金属3D打印技术,使用316L粉末和水基液体粘合剂制造了具有10 mm x 10 mm方形横截面的矩形BJP试样(长度= 70 mm)。在试样打印之后,粉床的固化蒸发了粘合剂的水。然后将生坯试样在熔炉中烧结,在熔炉中粘合剂分解,金属粉末熔化形成试样。烧结的最后阶段在氢气氛围中于1380℃下进行了120分钟。BJP试样以两种不同的方向制造——垂直和平行于粉末散布的方向。本文分别称为P方向和S方向。

CM拉伸试样是由可在1050℃退火并空冷的市售热轧板加工而成的。钢板的性能满足ASTM A240 / A240M–17 设定的标准,适用于压力容器或一般用途。

结果表明,BJP试样(含有显著数量的孔隙)的硬化行为,延展性,疲劳强度,能与CM合金相媲美。SLM试样屈服强度更高,延展性更差,疲劳强度不如前述试样,尽管它们的孔隙率比BJP试样要小。

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BJP,SLM加工工艺加工的不锈钢孔隙率,屈服强度与疲劳强度对比

两种增材制造合金中不同的微观结构可以解释这些结果:这是由于它们所经历的不同加工条件所致。BJP合金塑性变形的早期阶段普遍存在的平面滑移,以及其他微结构因素的结合,导致在准静态和循环载荷下阻止了在孔角处成核的小裂纹;结果,延展性和疲劳强度都不会受到BJP合金中孔隙率的不利影响。在SLM合金中,蜂窝结构大大提高了屈服强度,柱状晶粒太细,取向差不够大、晶粒也不够粗大从而不足以止裂。

总的来说,BJP和CM 316L不锈钢均具有强大的加工硬化能力,赋予了它们极大的延展性。SLM合金具有较高的屈服强度,但位错在塑性变形开始时就发生交滑移,从而缩短了加工硬化过程,从而影响了延展性。这一研究成果可以指导增材制造合金的设计:BJP的较高孔隙率并不对高周疲劳性能造成不利影响,但它降低了屈服强度。因此,降低孔隙率基本上可以提升BJP零件的屈服强度,使之与CM合金的一样。对于SLM试样,很明显,应将熔合不足的孔减少到最低限度(如果不能完全消除的话),以减少整体孔隙率,进而提高疲劳强度。

有关不锈钢与3D打印的结合点,请参阅3D科学谷发布的不锈钢3D打印白皮书1.0

本文来源:材料科学与工程

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