17-4PH不銹鋼材料的金屬熔絲成形及其制品力學(xué)性能研究

摘要：開發(fā)了三種17-4PH不銹鋼/聚合物復(fù)合絲材，分別為聚乳酸（PLA）單組分、PLA/苯乙烯（SEBS）兩組分以及PLA/高密度聚乙烯（HDPE）/乙烯醋酸乙烯酯（EVA）三組分黏合劑絲材。利用普通的桌面級(jí)熔絲成形設(shè)備成形生坯樣件，并使用箱式燒結(jié)爐研究了一步式熱脫脂/燒結(jié)的可行性，探究三種黏合劑系統(tǒng)復(fù)合絲材的可成形性。以Ultrafuse 17-4PH復(fù)合絲材為原材料，通過生坯成形—脫脂—燒結(jié)工藝過程制備了金屬熔絲成形燒結(jié)樣件，并完成了密度、收縮率及靜態(tài)力學(xué)性能等方面的研究。結(jié)果表明，一步式熱脫脂/燒結(jié)工藝易使樣件出現(xiàn)氧化、不收縮等缺陷問題，而采用兩步式脫脂（即催化脫脂和熱脫脂）再進(jìn)行燒結(jié)的樣件，成形效果良好。Ultrafuse 17-4PH燒結(jié)件的平均密度為7.2 g/cm3，X、Y、Z方向的收縮率分別為15%、18%、20%，最大拉伸強(qiáng)度可達(dá)600 MPa，最大彎曲強(qiáng)度約1200 MPa，硬度約為232 HV。

關(guān)鍵詞：金屬熔絲成形（MFFF）；增材制造；生坯成形；脫脂；燒結(jié)；力學(xué)性能

中圖分類號(hào)：TH164

Study on Forming and Mechanics Properties of 17-4PH Stainless Steel Parts Fabricated by MFFF Technique

JIANG Shijie^1，2* XU Zizhao1 LI Shuguang1 WANG Fei1 HUANG Xuzhen3

1.School of Mechanical Engineering amp; Automation，Northeastern University，Shenyang，110819

2.Key Laboratory of Dynamics Reliability of Mechanical Equipment，Shenyang，110819

3.Beijing Hainachuan Automotive Parts Co.，Ltd.，Beijing，100021

Abstract： Three types of self-made 17-4PH metal/polymer composite filaments were developed， which were polylactic acid（PLA） single-component， PLA/styrene（SEBS） bi-component and PLA/high-density polyethylene（HDPE）/ethylene vinyl acetate（EVA） three-component composite filament. The ordinary fused filament fabrication（FFF） machine was then used to build green parts， and the feasibility of one-step thermal debinding/sintering was studied using a box sintering furnace. The formability of the self-made composite filaments was further explored. Finally， MFFF sintered parts were formed with Ultrafuse 17-4PH composite filament through the shaping-debinding-sintering（SDS） processes. The density， shrinkage and static mechanics properties were studied. Results indicate that the one-step thermal debinding/sintering process is prone to generate defects such as oxidation and non-shrinkage in the samples， while the samples processed with two-step debinding（i.e. catalytic debinding and thermal debinding） and then sintering have a good forming quality. The average density of Ultrafuse 17-4PH sintered parts is as 7.2 g/cm3， and the shrinkage in X， Y and Z direction are as 15%， 18% and 20% separately. The maximum tensile strength and bending strength may reach 600 MPa and 1200 MPa， respectively. The hardness is about 230 HV.

Key words： metal fused filament fabrication（MFFF）； additive manufacturing; green part shaping; debinding; sintering; mechanics property

0 引言

金屬熔絲成形（metal fused filament fabrication，MFFF）是以金屬/聚合物復(fù)合絲材為原料，通過生坯成形—脫脂—燒結(jié)工藝（shaping-debinding-sintering，SDS）獲得致密化或半致密化金屬制品的低成本金屬增材制造技術(shù)。與其他金屬增材制造技術(shù)相比，MFFF具有設(shè)備體積小、質(zhì)量小、成本低、材料利用率高、易于操作、綠色環(huán)保等諸多優(yōu)勢(shì)。鑒于成形原理，該技術(shù)理論上可以完成任何金屬材料的成形制造；因無需考慮微重力環(huán)境下原材料（金屬粉末）難以控制等問題，該技術(shù)在航空航天領(lǐng)域更是有著極大的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。因此，MFFF技術(shù)受到越來越廣泛的關(guān)注。

金屬粉末/聚合物黏合劑復(fù)合絲材是MFFF技術(shù)的基礎(chǔ)，其中的黏合劑系統(tǒng)包含主要成分和骨架成分^［1］。主要成分的作用是在絲材融化后具有良好的流動(dòng)性以便于材料的擠出，完成生坯件的成形；骨架成分則是在脫脂后保持零件的形狀^［2-3］。復(fù)合絲材通常是由金屬粉末和黏合劑按照一定的比例混合制成，目前已經(jīng)有市售的金屬/聚合物復(fù)合絲材產(chǎn)品，比如BASF公司生產(chǎn)的Ultrafuse 17-4PH、Ultrafuse 316L復(fù)合絲材（聚甲醛基黏合劑體系^［4］）以及Markforged公司生產(chǎn)的Markforged 17-4PH復(fù)合絲材等^［5］，還有學(xué)者自主研發(fā)了復(fù)合絲材，給出了適用于生坯試樣成形的復(fù)合絲材制備方法^{［3，6-9］}。文獻(xiàn)［10-14］也有類似記錄，但是具體的黏合劑配方大多是保密的。

為保證MFFF工藝質(zhì)量，要求熔融復(fù)合絲材必須具有良好的流動(dòng)性。GONZALEZ-GUTIERREZ等^{［13， 15］}利用自主研發(fā)的復(fù)合絲材研究了生坯試樣的成形條件，結(jié)果表明，金屬粉末會(huì)導(dǎo)致復(fù)合絲材黏度增大；升高熔融溫度會(huì)降低黏度；當(dāng)熔融溫度、成形速度和擠出倍數(shù)分別為260 ℃、80 mm/s及200%時(shí)，試樣的成形質(zhì)量最優(yōu)。GODEC等^［16］研究了過程參數(shù)（熔融溫度、擠出倍數(shù)及層厚）對(duì)生坯件拉伸性能的影響，結(jié)果表明，提高熔融溫度、擠出倍數(shù)或?qū)雍窨梢愿纳粕骷某尚钨|(zhì)量。THOMPSON等^［17］使用自制的復(fù)合絲材成形零部件，結(jié)果顯示，最佳擠出溫度范圍為270～290 ℃。

生坯零件成形以后需要進(jìn)行脫脂工藝處理。SADAF等^［3］使用單一組分黏合劑復(fù)合絲材為原料制備了生坯試樣，并只采用熱脫脂方式去除黏合劑。研究發(fā)現(xiàn)，熱脫脂可以完全去除黏合劑，試樣無鼓包、開裂等缺陷，金屬粉末顆粒之間實(shí)現(xiàn)了點(diǎn)接觸。熱脫脂過程中升溫速率應(yīng)盡量緩慢，以防止黏合劑分解揮發(fā)過快造成坯體開裂^［18］。文獻(xiàn)［9， 11-12］以熱塑性彈性體、石蠟等可溶性黏合劑系統(tǒng)復(fù)合絲材為原料完成生坯試樣的制備，然后采用兩步式脫脂（溶劑/熱脫脂）去除聚合物。此方法保證了脫脂試樣足夠的強(qiáng)度，不會(huì)產(chǎn)生變形、開裂等問題。類似地，文獻(xiàn)［19-21］中使用BASF的Ultrafuse絲材完成了生坯試樣的成形，采用催化脫脂去除坯體中的聚甲醛，再用熱脫脂方式去除剩余的黏合劑組分。結(jié)果表明，此脫脂方式能夠保持坯體形狀良好，不易產(chǎn)生變形及開裂缺陷，脫脂效率高。

零件脫脂完成后，金屬粉末之間充滿了氣孔，需要進(jìn)行燒結(jié)以使零件致密化。學(xué)者們使用各類爐具和混合氣氛進(jìn)行燒結(jié)，可使零件達(dá)到97%以上的致密度^［22-25］。

此外，在MFFF制品的力學(xué)性能方面已有學(xué)者做了相關(guān)研究^{［5，17，19，23，25-27］}，結(jié)果表明，水平方向的拉伸、彎曲強(qiáng)度最高；豎直方向的拉伸、彎曲強(qiáng)度最低^{［19，23］}。

綜上所述，針對(duì)金屬熔絲成形增材制造技術(shù)，現(xiàn)有的研究主要集中在復(fù)合絲材的開發(fā)、過程參數(shù)的優(yōu)化、燒結(jié)件拉伸性能的表征等方面，而對(duì)燒結(jié)件彎曲和硬度等性能參數(shù)的辨識(shí)以及復(fù)合絲材組分、脫脂/燒結(jié)工藝過程的影響等方面的研究卻鮮有涉及。針對(duì)此，本文開發(fā)了三種不同的17-4PH金屬/聚合物復(fù)合絲材，研究不同的黏合劑系統(tǒng)對(duì)絲材屬性的影響；完成了三種絲材生坯零件的成形，探究三種黏合劑系統(tǒng)復(fù)合絲材的成形條件；此外，以Ultrafuse 17-4PH復(fù)合絲材為原料成形不同方向（水平、豎直和側(cè)置水平方向）的靜態(tài)力學(xué)性能生坯試樣，采用兩步式脫脂（催化脫脂和熱脫脂）然后燒結(jié)的方法獲得純金屬試樣，并對(duì)其物理屬性（密度和收縮率）和綜合靜態(tài)力學(xué)性能（拉伸性能、彎曲性能和硬度）進(jìn)行了研究。

1 材料和方法

1.1 材料

本文自主研制了三種不同黏合劑系統(tǒng)的17-4PH不銹鋼粉末（球形氣霧化粉末）/聚合物復(fù)合絲材，分別是聚乳酸（polylactic acid， PLA）單組分、PLA/苯乙烯（styrene ethylene butylene styrene， SEBS）兩組分以及PLA/高密度聚乙烯（high density polyethylene， HDPE）/乙烯醋酸乙烯酯（ethylene-vinyl acetate， EVA）三組分黏合劑絲材。通過激光衍射分析17-4PH粉末粒度情況，結(jié)果如圖1所示，粒徑主要分布在10～60 μm之間，最大體積占比的是30 μm顆粒。制備絲材過程中，首先將金屬粉末和黏合劑系統(tǒng)置入捏合機(jī)（NHJ-1L）加熱并攪拌3 h，以保證材料充分均勻混合；將混合物料冷卻至室溫以后，放入造粒機(jī)（BP-180）破碎成直徑在5 mm以下的細(xì)小顆粒；然后利用單螺桿擠出機(jī)（Wellzoom）將顆粒物料擠出成直徑1.75 mm的絲材，并經(jīng)過送絲機(jī)構(gòu)由自動(dòng)卷繞裝置收集。

此外，本文還以Ultrafuse 17-4PH復(fù)合絲材為原材料進(jìn)行MFFF標(biāo)準(zhǔn)試樣制備及其力學(xué)性能的研究。Ultrafuse 17-4PH是一款聚甲醛基黏合劑的復(fù)合絲材，金屬粉末體積分?jǐn)?shù)占40%，除聚甲醛外，黏合劑系統(tǒng)還包含其他組分，但確切組分是保密的。

1.2 生坯成形

為明確復(fù)合絲材成形生坯試樣的可行性，本文使用兩種類型FFF設(shè)備進(jìn)行試樣的制備，型號(hào)分別為FLSUN QQ（配備遠(yuǎn)程擠出機(jī)）和Ender-3 S1 Pro（配備近程擠出機(jī)），如圖2所示。

對(duì)于自制的復(fù)合絲材，進(jìn)行小體積立方體和薄板試樣的成形，重點(diǎn)關(guān)注成形可行性及工藝過程；對(duì)于BASF的Ultrafuse 17-4PH復(fù)合絲材，成形標(biāo)準(zhǔn)拉伸、彎曲及硬度試樣如表1所示，重點(diǎn)關(guān)注其靜態(tài)力學(xué)性能，具體成形過程參數(shù)如表2所示。考慮到不同方向收縮率的各向異性，試樣在X和Y方向尺寸放大119%，Z方向尺寸放大125%。此外，為了分析靜態(tài)力學(xué)性能的各向異性特點(diǎn)，制備了不同成形方向的試樣，即水平、豎直及側(cè)置水平三種成形方向的試樣（圖3）。

1.3 脫脂和燒結(jié)

針對(duì)自制的三種復(fù)合絲材和Ultrafuse 17-4PH復(fù)合絲材成形的生坯試樣，分別采用兩種脫脂/燒結(jié)工藝過程：①對(duì)于自制絲材成形試樣，采用一步式熱脫脂（即黏合劑組分全部通過加熱去除），然后直接進(jìn)行燒結(jié)，整個(gè)脫脂/燒結(jié)過程在箱式燒結(jié)爐（ZKQF-4-16，圖4a）中連續(xù)進(jìn)行；②對(duì)于Ultrafuse 17-4PH復(fù)合絲材成形試樣，按照BASF推薦的工藝流程，采用兩步式脫脂去除黏合劑后（即催化脫脂和熱脫脂）再進(jìn)行燒結(jié)。首先利用催化脫脂爐（D200-E，圖4b）進(jìn)行催化脫脂以去除黏合劑中的主要成分聚甲醛，向爐中通入硝酸氣體（30 mL/h），同時(shí)通入氮?dú)猓?00 L/h），整個(gè)過程保持溫度105 ℃；然后使用真空燒結(jié)爐（S200-C，圖4c）進(jìn)行熱脫脂以去除剩余的聚合物。最后在爐中進(jìn)行燒結(jié)，形成致密化純金屬零件。燒結(jié)曲線如圖5所示，升溫應(yīng)該盡量快，以減少加工時(shí)間，但是升溫太快會(huì)導(dǎo)致零件出現(xiàn)開裂等缺陷。采用5 ℃/min的升溫速率，整個(gè)燒結(jié)過程在惰性氣體環(huán)境（氬氣或者干氫）中進(jìn)行，必須保證爐內(nèi)的氧含量足夠低，爐內(nèi)的氣氛是完全惰性的，以避免零件發(fā)生氧化。

第一種復(fù)合絲材采用了PLA單一組分黏合劑系統(tǒng)，其熱失重曲線如圖6a所示。可以看出，PLA在300 ℃左右開始分解，320～370 ℃時(shí)加速分解，400 ℃以上時(shí)分解速度放緩（基本沒有質(zhì)量變化），500 ℃時(shí)完全分解。因此，針對(duì)PLA單組分黏合劑絲材成形的試樣脫脂/燒結(jié)過程如下：首先以5 ℃/min的升溫速率升溫至300 ℃；然后以1 ℃/min的速率升溫至500 ℃并恒溫保持2 h，完成熱脫脂過程；以5 ℃/min的速率升溫至最高燒結(jié)溫度1350 ℃（略低于17-4PH不銹鋼粉末的熔點(diǎn)1400 ℃），并且恒溫保持2 h；最后自然冷卻，完成燒結(jié)工藝過程^［28-29］。

圖6b所示為PLA/SEBS兩組分黏合劑系統(tǒng)的熱失重曲線，可見，此黏合劑系統(tǒng)受熱分解時(shí)表現(xiàn)出兩階段過程，即PLA和SEBS兩種材料熱分解的差異。當(dāng)溫度達(dá)250～350 ℃時(shí)，試樣以SEBS分解為主，PLA少量分解，試樣的失重率在350 ℃時(shí)為10%左右；當(dāng)溫度升至350～500 ℃時(shí)，PLA大量分解，直至500 ℃時(shí)，試樣失重率達(dá)20%，質(zhì)量停止變化，黏合劑完全去除。因此，針對(duì)PLA/SEBS兩組分黏合劑絲材成形的試樣脫脂/燒結(jié)過程如下：首先以5 ℃/min的速率升溫至300 ℃并恒溫保持1 h以充分分解SEBS，使零件產(chǎn)生細(xì)小的孔隙；然后再以5 ℃/min的速率升溫至500 ℃并恒溫保持1 h以充分去除殘余的黏合劑組分；熱脫脂完成后直接進(jìn)行燒結(jié)，仍以5 ℃/min的速率升溫至最高燒結(jié)溫度1350 ℃，并且恒溫保持2 h，使金屬顆粒之間產(chǎn)生固結(jié)；最后自然冷卻，完成燒結(jié)過程。

類似地，針對(duì)PLA/HDPE/EVA三組分黏合劑復(fù)合絲材成形的試樣，分別以1 ℃/min、0.75 ℃/min和0.5 ℃/min的速率升溫至300 ℃，并恒溫保持1 h，再以相同的速率升溫至500 ℃，并恒溫保持1 h，完成熱脫脂過程。然后以5 ℃/min的速率升溫至最高燒結(jié)溫度1350 ℃，并恒溫保持2 h，最后自然冷卻，完成燒結(jié)過程。

1.4 試樣性能分析

根據(jù)阿基米德原理，使用固體密度計(jì)（SJ-600G）確定燒結(jié)試樣的密度。利用游標(biāo)卡尺分別測(cè)量生坯件和燒結(jié)件的三維尺寸，以分析確定各個(gè)方向的收縮率。

使用電子顯微鏡（JT-H360-4K）觀測(cè)拉伸件（水平、豎直和側(cè)置水平方向成形試樣）宏觀斷口形貌，將拉伸斷裂后的試樣置于電子顯微鏡下，調(diào)整到合適放大倍數(shù)，對(duì)斷口區(qū)域進(jìn)行觀測(cè)。主要觀測(cè)兩個(gè)方向（垂直和平行于纖維方向）。使用場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡（MIRA3）觀察自制三組分黏合劑絲材和Ultrafuse 17-4PH絲材的橫截面微觀形貌。

使用島津疲勞試驗(yàn)機(jī)（EGF-EV101K1-040-1A）測(cè)試MFFF零件的拉伸性能和彎曲性能，如圖7所示。所有的測(cè)試均采用位移速率控制，應(yīng)變速率設(shè)定為2 mm/min，整個(gè)測(cè)試過程在室溫下進(jìn)行。使用維氏顯微硬度計(jì)（HVS-50Z）測(cè)量MFFF零件的硬度，測(cè)試力為98.07 N，施力時(shí)間為15 s。在測(cè)量之前先依次用80，100，120，180，240，360，600，1000，2000目的SiC砂紙進(jìn)行打磨處理，然后用拋光機(jī)對(duì)表面進(jìn)行拋光處理。

2 結(jié)果與討論

2.1 生坯成形

自制的三種復(fù)合絲材橫截面的微觀結(jié)構(gòu)圖像（圖8）與商用的BASF Ultrafuse 17-4PH 復(fù)合絲材相比，金屬粉末顆粒均勻分布在黏合劑中，絲材直徑均勻性較好。制絲過程中發(fā)現(xiàn)，PLA單一組分黏合劑絲材脆性明顯，無法卷繞儲(chǔ)存，且絲材直徑不均勻，在成形時(shí)需要手動(dòng)送料。成形的生坯試樣如圖9a所示，可見零件的成形精度不高，表面質(zhì)量較差；PLA/SEBS兩組分黏合劑絲材脆性降低，能夠卷繞收集，但在成形的過程中易發(fā)生斷裂，穩(wěn)定性和可靠性較差。成形的生坯試樣如圖9b所示，相較于單一組分黏合劑絲材，成形精度有所提高；PLA/EVA/HDPE三組分黏合劑復(fù)合絲材柔韌性較好，相較于前兩種絲材具有更好的成形穩(wěn)定性和可靠性，成形的生坯試樣如圖9c所示。然而，自制的三種復(fù)合絲材的原料混合與直徑均勻性明顯不足，現(xiàn)階段成形精度較低，光柵和纖維層的輪廓明顯，甚至出現(xiàn)溢料或者填充不足的情況。此外，配備近程擠出機(jī)的FFF設(shè)備（Ender-3 S1 Pro）成形質(zhì)量較好，而配備遠(yuǎn)程擠出機(jī)的設(shè)備（FLSUN QQ）易發(fā)生噴嘴堵塞現(xiàn)象，難以成形，如圖9d所示。

圖10所示為使用BASF Ultrafuse17-4PH復(fù)合絲材成形的生坯零件，由于原料混合度與均勻性好，此絲材可以通過0.4 mm的噴嘴成形，生坯零件的分辨率更高，成形精度和質(zhì)量也更好。

2.2 脫脂和燒結(jié)

針對(duì)自制的三種復(fù)合絲材，在箱式爐中連續(xù)進(jìn)行一步式熱脫脂和燒結(jié)工藝。按照1.3節(jié)所述過程，對(duì)PLA單組分黏合劑復(fù)合絲材成形試樣進(jìn)行脫脂/燒結(jié)，如圖11a所示，燒結(jié)后的零件出現(xiàn)了塌陷。這是因?yàn)轲ず蟿┲挥袉我唤M分，當(dāng)溫度達(dá)到熔點(diǎn)致使其分解揮發(fā)后，零件內(nèi)部金屬粉末因缺少黏合劑支撐散落，從而導(dǎo)致零件發(fā)生坍塌。因此，黏合劑系統(tǒng)應(yīng)至少包含兩種組分（主要成分和骨架成分）以保持脫脂過程的坯體形狀。

按照?qǐng)D4a所示的升溫過程，對(duì)PLA/SEBS兩組分黏合劑絲材進(jìn)行脫脂/燒結(jié)，如圖11b～圖11i所示。圖11b所示為PLA/SEBS兩組分黏合劑絲材成形的脫脂試樣，由圖可知，脫脂后的零件沒有出現(xiàn)缺陷，其失重率為19.6%，脫脂率約為98%，說明大部分聚合物黏合劑已經(jīng)去除。圖11c、圖11d所示分別為PLA/SEBS兩組分黏合劑絲材成形的燒結(jié)試樣（1350 ℃），由圖可知，燒結(jié)后零件的尺寸沒有收縮，并且質(zhì)量增大2.8 g。這是因?yàn)榻饘俜勰┰跓Y(jié)過程中與爐內(nèi)空氣發(fā)生了氧化反應(yīng)，生成的氧化物在增大零件質(zhì)量的同時(shí)還會(huì)阻礙燒結(jié)傳質(zhì)過程^［25］，導(dǎo)致零件尺寸不收縮，燒結(jié)失敗。為改善燒結(jié)質(zhì)量，分別采用了降低填充密度（利于黏合劑分解揮發(fā)）、降低升溫速率（改善脫脂質(zhì)量）及降低爐內(nèi)空氣密度（減少氧化反應(yīng)）三種方法，圖11e所示為降低填充密度的燒結(jié)試樣，圖11f所示為降低升溫速率的燒結(jié)試樣（5 ℃/min降至2.5 ℃/min），圖11g所示為-0.04 MPa真空度下的燒結(jié)試樣。可以看出，結(jié)果并不理想，零件氧化情況明顯，燒結(jié)后尺寸仍然不收縮。另采用先抽真空，再通惰性氣體（氮?dú)猓?.6 L/min）的方法，如圖11h所示，由圖可知，雖然零件尺寸依舊不收縮，但質(zhì)量基本不變，說明通入惰性氣體可有效減少氧化反應(yīng)。進(jìn)一步，加大真空度（-0.09 MPa）及通入惰性氣體流量（氮?dú)猓? L/min），零件產(chǎn)生了約10%的收縮率，失重率達(dá)16%，如圖11i所示。因此可以得出結(jié)論：燒結(jié)爐內(nèi)真空度越高、惰性氣體通入流量越大，則燒結(jié)試樣成形質(zhì)量越好。

類似地，按照?qǐng)D4a所示的升溫過程對(duì)PLA/EVA/HDPE三組分黏合劑絲材進(jìn)行脫脂/燒結(jié)，分別以1，0.75，0.5 ℃/min的升溫速率完成熱脫脂再燒結(jié)，試樣見圖11j～圖11l。盡管升溫速率很小，零件還是出現(xiàn)了膨脹、開裂等問題。這可能是因?yàn)槎喾N組分黏合劑（3種及以上）在熱分解過程中因存在差異而導(dǎo)致黏合劑無法及時(shí)揮發(fā)排出，從而出現(xiàn)鼓包、開裂等缺陷。因此，針對(duì)多組分黏合劑絲材成形的試樣，建議采用兩步式脫脂工藝再進(jìn)行燒結(jié)的方式以成形純金屬試樣。

對(duì)于Ultrafuse 17-4PH復(fù)合絲材成形的生坯試樣，按照BASF推薦的工藝過程完成脫脂/燒結(jié)（即采用催化脫脂和熱脫脂兩步式脫脂工藝再進(jìn)行燒結(jié)，圖4b所示），燒結(jié)后的試樣如圖12所示。可見，試樣形狀保持良好、成形質(zhì)量高，無膨脹、裂紋等缺陷問題。對(duì)比生坯試樣，零件尺寸產(chǎn)生了明顯的各向異性收縮，長度、厚度及寬度方向平均收縮率分別約為15%、20%及19%，與文獻(xiàn)［30］結(jié)果基本一致。因此，不同成形方向的燒結(jié)試樣尺寸明顯不同。圖13展示了水平、豎直和側(cè)置水平方向成形試樣分別在X、Y和Z方向上的收縮率，可見，水平試樣在X方向的收縮率最小，Y和Z方向的收縮率相差不大；而豎直試樣則與水平試樣情況相反，X方向的收縮率最大。這是因?yàn)橹饘永奂拥某尚芜^程使生坯件內(nèi)部纖維之間和纖維層之間存在著孔隙，沿纖維方向的孔隙率遠(yuǎn)小于纖維之間，孔隙作為空位源更容易發(fā)生物質(zhì)傳質(zhì)，因此，纖維之間產(chǎn)生的收縮率要大于纖維方向上的收縮率。

MFFF生坯試樣由于特殊的成形過程不可避免地存在孔隙缺陷，燒結(jié)工藝會(huì)減小甚至消除孔隙，致使零件的平均密度達(dá)7.19 g/cm3，相對(duì)理論燒結(jié)密度為93%。研究還發(fā)現(xiàn)，水平和側(cè)置水平方向成形的拉伸試樣相對(duì)燒結(jié)密度分別為92.06%和92.75%，小于豎直方向成形試樣（95.12%），而彎曲試樣的差異則不明顯。本文燒結(jié)試樣的成形效果良好，與文獻(xiàn)［23，31-32］結(jié)果基本一致，如表3所示。

2.3 機(jī)械性能

2.3.1 拉伸性能

圖14為Ultrafuse 17-4PH拉伸試樣的應(yīng)力應(yīng)變曲線。由拉伸試驗(yàn)結(jié)果可以看出，試樣的抗拉強(qiáng)度具有明顯各向異性特點(diǎn)。成形方向?yàn)閭?cè)置水平時(shí)，Ultrafuse 17-4PH的拉伸強(qiáng)度最大為600 MPa，水平試樣的拉伸強(qiáng)度次之，約為520 MPa，豎直試樣的拉伸強(qiáng)度最低，約為290 MPa。造成此現(xiàn)象的原因主要有兩個(gè)方面：①M(fèi)FFF生坯試樣是通過逐層沉積材料的方式成形的，具有明顯的層狀結(jié)構(gòu)。試樣在脫脂/燒結(jié)工藝中，金屬粉末顆粒之間發(fā)生傳質(zhì)過程，零件產(chǎn)生整體的線性收縮，層狀結(jié)構(gòu)形式?jīng)]有發(fā)生改變（圖15）。水平試樣和側(cè)置水平試樣的纖維方向平行于拉伸方向，在外力作用下，零件的強(qiáng)度主要取決于材料本身的強(qiáng)度（斷口是不規(guī)則的，如圖16a和圖16b所示）。因此，水平和側(cè)置水平方向的試樣拉伸強(qiáng)度相差不大。豎直方向成形試樣的纖維方向垂直于拉伸方向，在外力作用下，零件的強(qiáng)度主要取決于層與層之間的黏結(jié)力（斷口較平齊，位于層與層之間的結(jié)合處，如圖16c所示），由于孔隙的存在，該黏結(jié)強(qiáng)度明顯弱于纖維材料本身。②由于MFFF工藝特點(diǎn)，在生坯成形以后，纖維之間及層與層之間均分布著孔隙，水平和側(cè)置水平試樣的孔隙垂直于截面，而豎直試樣的孔隙則平行于截面，如圖17所示。燒結(jié)后，這些孔隙明顯減小但不會(huì)完全消失，水平和側(cè)置水平試樣的截面孔隙率明顯小于豎直試樣，因此拉伸強(qiáng)度更好。極限拉伸強(qiáng)度與文獻(xiàn)［26，31］的研究結(jié)果（分別為760 MPa和696 MPa）較為接近，高于文獻(xiàn)［33］的研究結(jié)果（314 MPa），如表4所示。

2.3.2 彎曲性能

圖18為不同成形方向試樣的彎曲應(yīng)力應(yīng)變曲線。由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，Ultrafuse 17-4PH燒結(jié)件不同成形方向的彎曲性能存在各向異性。當(dāng)成形方向?yàn)閭?cè)置水平時(shí)，彎曲強(qiáng)度取得最大值，達(dá)1200 MPa，豎直方向成形的零件彎曲強(qiáng)度次之，約為1050 MPa，水平試樣的彎曲強(qiáng)度最低，在900 MPa左右。此各向異性原因與上文類似，即歸結(jié)于燒結(jié)試樣的層狀結(jié)構(gòu)及孔隙問題^［23］。與文獻(xiàn)［17，23，27，34］記錄的不銹鋼試樣彎曲性能相比較，本文燒結(jié)試樣成形效果良好，如表5所示。如果將燒結(jié)件看作是層狀的結(jié)構(gòu)，則本文假設(shè)每一層都是牢固結(jié)合的。如圖19所示，對(duì)于水平和側(cè)置水平試樣，單層的橫截面積相同，但是單層的抗彎截面系數(shù)不同，由于單層的寬度遠(yuǎn)大于厚度，因此側(cè)置水平試樣單層的抗彎截面系數(shù)大于水平試樣，在承受相同的彎矩下更不容易發(fā)生破壞。對(duì)于豎直試樣，在彎矩的作用下更傾向于發(fā)生層滑動(dòng)和層分離。當(dāng)零件承受彎曲載荷時(shí)，中性層以下的部分承受拉應(yīng)力，中性層以上的部分承受壓應(yīng)力，對(duì)于一般的金屬材料，抗壓強(qiáng)度往往大于抗拉強(qiáng)度，所以彎曲破壞往往先在拉伸區(qū)域出現(xiàn)裂紋，進(jìn)而導(dǎo)致零件的破壞。

2.3.3 硬度

圖20所示為MFFF燒結(jié)試樣頂部和側(cè)面不同的宏觀形貌（各向異性特點(diǎn)），頂部可見明顯的光柵纖維輪廓，而側(cè)面則具有明顯的分層結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。對(duì)Ultrafuse 17-4PH復(fù)合絲材成形試樣的頂部和側(cè)面分別測(cè)量了維氏顯微硬度，見表6。

燒結(jié)試樣側(cè)面硬度平均值為224 HV，頂部硬度平均值為232 HV，與文獻(xiàn)［31-32］結(jié)果基本一致，如表7所示。結(jié)果表明，燒結(jié)試樣的表面硬度與測(cè)試位置、成形方向等過程參數(shù)無關(guān)，僅取決于金屬材料本身，具有各向同性特點(diǎn)。

3 結(jié)論

本文研究了MFFF試樣的成形、脫脂和燒結(jié)過程，以及燒結(jié)件的靜態(tài)力學(xué)性能，結(jié)論如下。

1）PLA單組分黏合劑絲材太脆，無法卷繞收

集，需要手動(dòng)進(jìn)料完成生坯成形；PLA/SEBS兩組分黏合劑絲材脆性得到了改善，但是成形生坯的穩(wěn)定性和可靠性均較差；PLA/HDPE/EVA三組分黏合劑絲材表現(xiàn)出良好的柔韌性，成形穩(wěn)定可靠。考慮脫脂燒結(jié)過程，黏合劑至少要有兩種組分（主要成分和骨架成分），否則脫脂/燒結(jié)過程中易出現(xiàn)塌陷問題；多組分黏合劑絲材成形的試樣應(yīng)采用兩步式脫脂再進(jìn)行燒結(jié)，以避免產(chǎn)生缺陷。

2）對(duì)于自制的三種不同組分黏合劑的復(fù)合絲材，可以采用配備0.4 mm噴嘴的近程擠出機(jī)成形試樣，而采用遠(yuǎn)程擠出則會(huì)導(dǎo)致噴嘴堵塞，需更換更大直徑的噴嘴才能成形試樣。因此，當(dāng)絲材的強(qiáng)度較低時(shí)，應(yīng)配備近程擠出機(jī)設(shè)備成形試樣。

3）脫脂/燒結(jié)過程中，必須嚴(yán)格控制爐內(nèi)的氧含量，真空度越高或惰性氣體的通入量越大，成形質(zhì)量越好；只有坯體不發(fā)生氧化，傳質(zhì)過程才能發(fā)生，零件才會(huì)收縮，產(chǎn)生致密化；脫脂/燒結(jié)過程中，升溫越慢，坯體形狀保持情況越好。

4）Ultrafuse 17-4PH燒結(jié)件的收縮率在不同成形方向上存在各向異性，水平試樣在X方向的收縮率最小，Y和Z方向的收縮率相差不大；而豎直試樣則與水平試樣情況相反，X方向的收縮率最大，而Y和Z方向的收縮率仍基本一致。Ultrafuse 17-4PH成形試樣在燒結(jié)后平均密度達(dá)7.19 g/cm3，相對(duì)理論燒結(jié)密度為93%。

5）Ultrafuse 17-4PH燒結(jié)件的拉伸強(qiáng)度最高可達(dá)600 MPa，側(cè)置水平方向和水平方向試樣強(qiáng)度基本一致，豎直方向拉伸強(qiáng)度最低；彎曲強(qiáng)度最大約1200 MPa，側(cè)置水平方向彎曲強(qiáng)度最大，豎直方向次之，水平方向最低；維氏顯微硬度值約為232 HV。

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（編輯 王旻玥）

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金（51705068）；中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金（N2303019）

作者簡介：

姜世杰*，男，1985年生，博士研究生。研究方向?yàn)槿劢z成形增材制造技術(shù)。獲專利授權(quán)10項(xiàng)。發(fā)表論文50余篇。E-mail：jiangsj@me.neu.edu.cn。

本文引用格式：

姜世杰，許子沼，李曙光，等.17-4PH不銹鋼材料的金屬熔絲成形及其制品力學(xué)性能研究［J］. 中國機(jī)械工程，2025，36（3）：593-603.

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