選擇性激光燒結(jié)尼龍材料及其擋水板制件性能研究

丁浩亮 欒 宇 李 凡 魏 賽 閆春澤

（1 航天材料及工藝研究所，北京 100076）

（2 北京宇航系統(tǒng)工程研究所，北京 100076）

（3 華中科技大學(xué)材料成形與模具技術(shù)國家重點實驗室，武漢 430074）

文 摘 采用SLS 尼龍12 設(shè)計并成形了某箭體低承載擋水板薄壁結(jié)構(gòu)，重點就SLS 尼龍12 及其碳纖維增強(qiáng)材料的力學(xué)、熱學(xué)、斷口微觀形貌以及制件SLS 工藝參數(shù)進(jìn)行了研究。研究表明，選用牌號X1556 尼龍12作為擋水板材料，其無缺口沖擊強(qiáng)度81.2 kJ/m2，斷裂伸長率26.9%，燒結(jié)窗口溫度差26.0℃，材料具備良好的抗沖擊強(qiáng)度、斷裂韌性和較寬的燒結(jié)窗口溫度范圍。優(yōu)化設(shè)置成形工藝參數(shù)，如預(yù)鋪粉起始溫度為155℃，預(yù)鋪粉保持溫度168℃，加工溫度169℃，填充速度4 000 mm/s，成形的擋水板制件外觀良好，并且該制件通過了防水及耐熱試驗考核驗證，為SLS 尼龍成形技術(shù)在航天領(lǐng)域中的拓展應(yīng)用打下基礎(chǔ)。

0 引言

選擇性激光燒結(jié)（SLS）是一種以激光為熱源燒結(jié)粉末材料的快速成形技術(shù)[1]，它不受零件形狀復(fù)雜限制，無需任何工裝模具，可將固體粉末直接燒結(jié)成三維實體零件[2-3]，可滿足航天領(lǐng)域中低承載功能零件的多品種、小批量的成形需求，且材料利用率高、加工周期短，應(yīng)用前景廣闊。尼龍是目前SLS 技術(shù)制備塑料功能件最好的材料[4-5]，其中SLS 尼龍12 制件具備密度?。s1.0 g/cm3）、吸水率低（＜1.0%）及飽和吸水后制件尺寸穩(wěn)定性好的優(yōu)點。

華中科技大學(xué)[6]已采用溶劑沉淀法制備了SLS 用納米SiO2/PA12 復(fù)合粉末以及SLS 尼龍12 覆膜鋁粉，并與廣東銀禧科技股份有限公司合作，實現(xiàn)了SLS 尼龍及其增強(qiáng)材料的產(chǎn)業(yè)化。美國橡樹嶺國家實驗室通過向打印級熱塑性顆粒中添加碳纖維，成形了無人機(jī)機(jī)翼結(jié)構(gòu)[7]。德國EOS 公司開發(fā)的牌號PA3200GF 尼龍粉末，用于增材制造殼體和熱應(yīng)力零件[8]。

本文采用SLS 尼龍成形某箭體低承載薄壁結(jié)構(gòu)擋水板制件，對SLS 尼龍12 及其碳纖維增強(qiáng)材料的力學(xué)、熱學(xué)、斷口微觀形貌以及制件SLS 工藝參數(shù)進(jìn)行了探索性研究，并開展了防水及耐熱試驗考核驗證。

1 試驗

1.1 主要原材料

尼龍12 粉末:X1556，德國贏創(chuàng)工業(yè)集團(tuán)；SP301，廣東銀禧科技股份有限公司；FS3200PA，湖南華曙高科技有限責(zé)任公司；碳纖維增強(qiáng)尼龍粉末:SP305CF，廣東銀禧科技股份有限公司。

1.2 主要設(shè)備和儀器

選擇性激光燒結(jié)設(shè)備:HK P320（含HUST 3D 軟件系統(tǒng)），武漢華科三維科技有限公司；電子萬能試驗機(jī):CMT5205，美特斯工業(yè)系統(tǒng)（中國）有限公司；沖擊試驗機(jī):HIT50.PC，德國Zwick 集團(tuán)；熱導(dǎo)率測試儀:DTC-300，美國TA 儀器公司；洛氏硬度儀:TH320，時代集團(tuán)公司；同步熱分析儀:SDT Q600，美國TA 儀器公司；掃描電子顯微鏡（SEM）:Quanta FEG650，美國FEI 公司。

1.3 性能測試

密度按GB/T1463—2005 測試；拉伸性能按GB/T1040.2—2006 測試，拉伸速率5 mm/min；彎曲性能按GB/T9341—2008 測試，彎曲速率2 mm/min；壓縮性能按GB/T14208.3—2009 測試，變形量40%；無缺口沖擊強(qiáng)度（簡支梁）按GB/T1043.1—2008 測試；洛氏硬度按GB/T3398.2—2008 測試；熱導(dǎo)率按GB/T10295—2008測試；吸水率按GB/T1034—2008 測試；掃描電鏡（SEM）:對拉伸試樣斷口進(jìn)行噴金，分析微觀形貌；差示掃描量熱（DSC）:測試升降溫均在氮?dú)夥諊逻M(jìn)行，升溫時自室溫以10℃/min 的速率升到400℃保溫5 min以去除熱歷史，再以5℃/min 速率降溫到室溫，再以10℃/min 的速率升到400℃，記錄DSC 曲線；熱失重（TGA）:氮?dú)庀?，自室溫?0℃/min 的速率升溫到800℃，記錄TGA 曲線。

2 結(jié)果與討論

2.1 擋水板材料特性

2.1.1 基礎(chǔ)性能對比

采用SLS 成形方法加工尼龍12 及碳纖維增強(qiáng)材料性能試樣，性能測試結(jié)果見表1。

表1 尼龍12 及碳纖維增強(qiáng)材料性能測試結(jié)果Tab.1 Performance test results of nylon 12 and carbon fiber reinforced material

由表1可知，由三個牌號尼龍12 材料性能對比發(fā)現(xiàn)，X1556 的物理、力學(xué)綜合性能較優(yōu)，其中無缺口沖擊強(qiáng)度達(dá)到81.2 kJ/m2，表現(xiàn)出突出的沖擊韌性；吸水率為0.55%，較低，有利于制件防水；熱導(dǎo)率為0.27 W/（m·K），具有絕熱特性，有利于制件的氣動環(huán)境下耐熱。另外，SP301 密度為0.94 g/cm3，最低，這是由于其燒結(jié)成形后存在較高的孔隙率，致密度低，進(jìn)而造成其綜合性能衰減。

SP305CF 能較X1556 性能對比發(fā)現(xiàn)，拉伸、彎曲和壓縮的強(qiáng)度與模量有所提升，但提升不明顯，這可能與碳纖維含量、纖維長度有關(guān)；SP305CF 斷裂伸長率及無缺口沖擊強(qiáng)度顯著降低，這說明SP305CF 韌性不足，表現(xiàn)出明顯的脆性斷裂特征；而SP305 的熱導(dǎo)率和吸水率略微升高，這說明其耐熱性和防水效果略低于X1556。

由上分析，X1556 的物理、力學(xué)綜合性能最佳，SP305CF 性能次之，初選作擋水板用料。

2.1.2 斷口微觀形貌

對X1556 和SP305CF 材料拉伸試樣斷口SEM照片如圖1所示。

由圖1可知，X1556 斷口形貌較為粗糙，出現(xiàn)“拉絲”現(xiàn)象，為韌性斷裂；SP305CF 斷口形貌較為光滑，為脆性斷裂特征，工程應(yīng)用存在風(fēng)險。該兩種材料斷裂形式與表1的斷裂伸長率測試結(jié)果相一致。

圖1 X1556 和SP305CF 拉伸試樣斷口SEM 照片F(xiàn)ig.1 Fracture surfac of X1556 and SP305CF Tensile sample

2.1.3 熱性能

X1556 和SP305CF 粉末其典型溫度值見表2，DSC 和TGA 曲線如圖2所示。

由表2及圖2（a）可知，SP305CF 較X1556 有略高的熔融峰溫度和結(jié)晶峰溫度，吸熱和放熱峰顯著，這是由于SP305CF 中含有的碳纖維其導(dǎo)熱特性所致；而X1556 的燒結(jié)窗口溫差26.0℃較SP305CF 高6.4℃，顯示出較寬的加工溫度范圍，為成形工藝參數(shù)的設(shè)計提供了依據(jù)；由表2及圖2（b）可知，SP305CF較X1556 有較高的分解溫度，耐熱性較好，其分解溫度達(dá)到485℃，800℃后其質(zhì)量殘留趨于穩(wěn)定達(dá)13.7%，殘留粉為氮?dú)鈿夥障挛茨芡耆珶M的碳灰分，而X1556 在485℃已熱分解完全。

表2 X1556 和SP305CF 粉末熱性能典型溫度Tab.2 Typical temperatures of powder thermal properties of X1556 and SP305CF powder ℃

圖2 X1556 和SP305CF 兩種粉末DSC 及TGA 曲線Fig.2 DSC and TGA curves of X1556 and SP305CF powders

2.2 擋水板成形工藝參數(shù)設(shè)置及優(yōu)化

2.2.1 擋水板成形工藝流程圖

擋水板SLS 成形工藝流程見圖3。尼龍新粉應(yīng)充分靜置去除粉末靜電影響，粉末置入鋪粉缸后設(shè)置預(yù)熱溫度，設(shè)備預(yù)熱1 h 以上并穩(wěn)定，充分預(yù)熱以保持溫度場均勻，避免后期引起零件翹曲變形。模型預(yù)處理的同時，對擋水板進(jìn)行實體零件轉(zhuǎn)換，適當(dāng)旋轉(zhuǎn)模型以選取理想加工方位放置。燒結(jié)完成后，設(shè)備粉床整體自由冷卻至室溫后取出零件，先用毛刷清理零件表面多余粉末，再用壓縮空氣吹去難以刷去的粉末。

圖3 擋水板SLS 成形工藝流程圖Fig.3 SLS flow chart of water retaining plates

2.2.2 擋水板成形工藝參數(shù)

采用X1556 及SP305CF 分別制造擋水板的工藝參數(shù)見表3。

表3 X1556 和SP305CF 粉末成形擋水板工藝參數(shù)設(shè)置Tab.3 Processing parameter settings for X1556 and SP305CF powders

X1556 的燒結(jié)窗口為139.3～165.3℃，表3設(shè)置的預(yù)鋪溫度及加工溫度成形的擋水板[圖4（a）]，其外觀良好，未出現(xiàn)翹曲變形；SP305CF 的燒結(jié)窗口為153.5～173.1℃，由表3發(fā)現(xiàn)SP305CF 成形設(shè)置了較低的預(yù)熱溫度和加工溫度，這導(dǎo)致材料受熱熔融不充分，進(jìn)而成形的擋水板會出現(xiàn)翹曲變形缺陷，如圖4（b）所示。因而，預(yù)熱起始溫度應(yīng)提高至160～165℃，預(yù)熱保持溫度應(yīng)提高至165～172℃，加工溫度應(yīng)略高于173.1℃。

圖4 X1556 和SP305CF 兩種粉末成形的擋水板外觀Fig.4 Appearance of X1556 and SP305CF water retaining plates

另外，SP305CF 中含20wt%的碳纖維（長度80～150 μm，直徑2～5 μm），該纖維屬細(xì)纖維結(jié)構(gòu)并隨機(jī)分布于尼龍粉末中。擋水板成形過程中，碳纖維的取向?qū)е聠螌赢a(chǎn)生較大的收縮應(yīng)力，可調(diào)高加工溫度來抑制收縮應(yīng)力，如175～178℃。此外，SP305CF 擋水板在成形過程中未翹曲，是在冷卻過程中出現(xiàn)了明顯的翹曲，這說明層間應(yīng)力是翹曲主要原因。而層間應(yīng)力過大，由于碳纖維可能存在跨層結(jié)構(gòu)，可通過采用更高目數(shù)的碳纖維粉末降低跨層的出現(xiàn)；層厚度過小，層間燒結(jié)縫隙數(shù)量增加，應(yīng)力增大，可適當(dāng)增加單層厚度（如0.15 mm）來降低翹曲。

2.3 擋水板的地面驗證考核

采用X1556 尼龍材料成形的擋水板，開展了地面擋水和熱燒蝕試驗。其中，擋水試驗?zāi)M了箭體級間經(jīng)受雨水、冷凝水淋襲環(huán)境，觀察水流的流淌痕跡及擋水效果；而熱燒蝕試驗?zāi)M了擋水板在經(jīng)歷飛行熱環(huán)境下的適應(yīng)性，記錄了耐熱試驗時擋水板表面溫度變化。結(jié)果表明，X1556 成形的擋水板適應(yīng)箭體級間結(jié)構(gòu)的復(fù)雜安裝邊界，可有效將水流與結(jié)構(gòu)隔離開，擋水效果明顯，并且初步驗證滿足飛行熱環(huán)境要求，待進(jìn)一步進(jìn)行相關(guān)研制試驗考核后實施應(yīng)用。

3 結(jié)論

（1）擋水板材料需具備良好的抗沖擊強(qiáng)度及斷裂韌性，較寬的燒結(jié)窗口溫度范圍，例如X1556 其物理、力學(xué)綜合性能較優(yōu)，其中無缺口沖擊強(qiáng)度81.2 kJ/m2，斷裂伸長率26.9%，燒結(jié)窗口溫度差26.0℃；

（2）擋水板制件為避免產(chǎn)生翹曲變形缺陷，需設(shè)置合理的增材制造成形工藝參數(shù)，例如X1556 其預(yù)鋪粉起始溫度155℃，預(yù)鋪粉保持溫度168℃，加工溫度169℃，填充速度4 000 mm/s，成形的制件外觀良好；

（3）擋水板制件需適應(yīng)箭體結(jié)構(gòu)復(fù)雜的安裝條件，可有效擋水并滿足飛行熱環(huán)境要求，采用X1556成形的制件初步通過了地面驗證考核，為SLS 尼龍制件在航天領(lǐng)域中的拓展應(yīng)用打下基礎(chǔ)。