不銹鋼粉末選擇性激光燒結(jié)-等靜壓復(fù)合成形技術(shù)研究.pdf

1、選擇性激光燒結(jié)(Selective Laser Sintering，SLS) 技術(shù)是快速成形(RapidPrototyping,RP)領(lǐng)域發(fā)展較成熟與應(yīng)用較廣泛的技術(shù)之一，一直受到國內(nèi)外重視。但是通過SLS 技術(shù)制造金屬零件，存在致密度低與力學(xué)性能差等缺陷，嚴(yán)重限制了其發(fā)展與應(yīng)用。盡管近年來國內(nèi)外研究通過熔滲金屬等方法提高SLS 零件的致密度，但是其力學(xué)性能依然難以滿足使用要求。針對(duì)上述問題，為了制造高致密高性能復(fù)雜不銹鋼零件，本論文將

2、等靜壓(Isostatic Pressure，IP)技術(shù)引入SLS 領(lǐng)域，形成SLS/IP復(fù)合成形技術(shù)。采用SLS/IP 技術(shù)制造AISI304 與AISI316L 不銹鋼零件，通過TG 熱分析、X 射線衍射（XRD）、SEM 以及力學(xué)性能檢測等手段研究AISI304 與AISI316LSLS/IP 零件致密化機(jī)理、金相組織與力學(xué)性能；在脫脂后續(xù)處理階段零件各向收縮相同條件下，建立各環(huán)節(jié)尺寸精度數(shù)學(xué)物理模型，為進(jìn)一步研究其尺寸精度奠定理

3、論基礎(chǔ)。主要研究內(nèi)容與結(jié)論如下： （1）研究了AISI304 與AISI316L 不銹鋼粉末SLS 成形與熱脫脂機(jī)理及其工藝。 針對(duì)本論文非晶態(tài)高聚物環(huán)氧樹脂E12 與晶態(tài)高聚物尼龍PA12 兩種粘結(jié)劑，采取混合法與覆膜法制取了上述兩種SLS 不銹鋼復(fù)合材料，確定了相應(yīng)最佳SLS 成形工藝參數(shù)（預(yù)熱溫度、激光功率、掃描速度、掃描間距與單層層厚）分別為50-55℃、19-20W、1900-2000mm/s、0.1-0.12

4、mm/s、0.1-0.12mm 與150-165℃、15-17W、1800-2000mm/s、0.1-0.15mm、0.1-0.15mm；根據(jù)熱脫脂機(jī)理以及E12和PA12的TG 曲線，制定了合理的熱脫脂工藝。 （2）研究了SLS/冷等靜壓(Cold Isostatic Pressure，CIP)包套材料（天然橡膠膠乳與硅橡膠），提出將天然橡膠膠乳運(yùn)用到SLS/CIP工藝。相對(duì)于硅橡膠，天然橡膠膠乳成膜性較好，并且能夠隨形密封復(fù)

5、雜SLS 零件，適用于SLS/CIP 包套制作。 （3）研究了AISI304 與AISI316L SLS 零件的熱脫脂后續(xù)處理機(jī)理與工藝，以及相應(yīng)工藝參數(shù)對(duì)其致密度與性能的影響規(guī)律，并提出其SLS/CIP 致密化機(jī)理與最小SLS/CIP 閥值思想。其中，根據(jù)CIP 理論與SLS 脫脂多孔材料特性，上述不銹鋼SLS/CIP 致密化機(jī)理為燒結(jié)頸破碎、金屬顆粒重排與塑性變形綜合作用；針對(duì)AISI304不銹鋼脫脂試樣，最小SLS/CIP

6、 閥值為400MPa；在經(jīng)過650MPa CIP、1350℃高溫?zé)Y(jié)與1200℃/120MPa 熱等靜壓(Hold Isostatic Pressure，HIP)處理后，其致密度分別達(dá)到86％、95％與98％；并且，其SLS/HIP 試樣的彈性模量、屈服強(qiáng)度、拉伸強(qiáng)度與延伸率分別達(dá)到93.15GPa、306MPa、577.5MPa 與32.05％，力學(xué)性能與固溶處理AISI304 致密材料相當(dāng)；針對(duì)AISI316L 不銹鋼脫脂試樣，最小

7、SLS/CIP 閥值為300MPa；在1320℃高溫?zé)Y(jié)與1250℃/120MPa HIP 處理后，其致密度超過95％；同時(shí)，其彈性模量、屈服強(qiáng)度、拉伸強(qiáng)度與延伸率分別達(dá)到142.5GPa、277MPa、649.49MPa 與45.7％。 （4）在高溫?zé)Y(jié)與HIP 環(huán)節(jié)，研究了微量Cu 與FeB 對(duì)AISI304 試樣致密度、彈性模量、屈服強(qiáng)度、拉伸強(qiáng)度與延伸率的影響規(guī)律，以及微量Si 與FeMn 對(duì)AISI316L 試樣致密度

8、、彈性模量、屈服強(qiáng)度、拉伸強(qiáng)度與延伸率的影響規(guī)律。根據(jù)液相燒結(jié)理論與XRD 檢測方法，微量Cu 與FeB 均能提高AISI304 SLS/IP 試樣致密度，并且，當(dāng)Cu 含量從1％增加到3％時(shí)，在奧氏體基體上析出NixCuy 固溶體，致使其力學(xué)性能逐漸改善，當(dāng)FeB 含量從0.5％增加到5％，F(xiàn)e-B 與Ni-B 低熔共晶物沿晶界析出，致使其力學(xué)性能逐漸降低；微量Si 與FeMn 可提高AISI316L SLS/IP試樣致密度，但在SL

9、S/CIP 后續(xù)處理中，Si 容易導(dǎo)致碳化鉻沿晶界析出，致使其力學(xué)性能降低，但是微量FeMn 可改善其力學(xué)性能。 （5）研究了SLS/IP 制件在各環(huán)節(jié)上尺寸精度變化規(guī)律與控制措施以及脫脂后續(xù)處理尺寸精度數(shù)學(xué)物理模型。主要提出了SLS/CIP 環(huán)節(jié)尺寸精度數(shù)學(xué)物理模型。 綜上所述，通過SLS/IP 技術(shù)解決了SLS 零件致密度低與力學(xué)性能差等缺陷，完善了SLS 技術(shù)，拓寬了其應(yīng)用領(lǐng)域，為制造高致密高性能高精度復(fù)雜金屬零件