三維噴印成形青銅663工藝研究

毛貽桅，李敬文，魏青松，史玉升

（華中科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，材料成形與模具技術(shù)國家重點實驗室，湖北武漢430074）

三維噴?。╰hree-dimensional printing，3DP）又稱粘結(jié)劑噴射 （binder jetting additive manufacturing，BJAM）技術(shù)，最初由Emanual Sachs等[1]于20世紀(jì)90年代初所發(fā)明。圖1是3DP的技術(shù)原理：噴頭根據(jù)三維模型各層的輪廓信息將微型液滴選擇性地噴射在粉末薄層表面，粘結(jié)劑與粉末發(fā)生物理化學(xué)反應(yīng)并產(chǎn)生一定的結(jié)合力，形成當(dāng)前層截面輪廓，逐層循環(huán)；層與層之間通過液滴的粘結(jié)作用固連，直至三維模型打印完成，粘結(jié)成形的部分經(jīng)后處理工序形成三維實體模型或零件。3DP技術(shù)在國內(nèi)外迅猛發(fā)展，可成形石膏、陶瓷、高分子、寶珠砂等材料[2]，并在工業(yè)設(shè)計、建筑設(shè)計、汽車制造、航空航天、醫(yī)療器械等領(lǐng)域得到了較為廣泛的應(yīng)用[3]。

圖1 3DP技術(shù)原理圖

相比于金屬3D打印設(shè)備造價高、附配件昂貴、高能束逐點熔化微細(xì)粉末效率低[4-5]，3DP技術(shù)利用數(shù)百甚至上萬個噴嘴噴射成形，效率明顯高于高能束工藝，且兼具低成本優(yōu)勢，目前美、德等國3DP技術(shù)已成功應(yīng)用于鑄造砂型和塑料件打印，并開始拓展至金屬打印。國內(nèi)外學(xué)術(shù)界對三維噴印成形金屬零件也做了相關(guān)研究，主要集中在鎳基[6-8]、鐵基[9-11]、鈦基[12-14]等材料體系，研究方向主要集中在成形參數(shù)（如分層厚度、噴液量、成形方向等）、后燒結(jié)工藝（如燒結(jié)溫度、保溫時間、燒結(jié)氣氛、燒結(jié)壓力等）及熱處理對試樣的收縮率、孔隙率、微觀形貌、相組織演變和力學(xué)性能等方面的影響[15-18]。

由于3DP成形金屬零件技術(shù)近幾年才開始得到大力研究，因此技術(shù)成熟度、理論深入度相比于激光選區(qū)熔化等技術(shù)還有不小差距。本文選取耐負(fù)荷、耐磨耐腐蝕的青銅663粉末作為實驗材料，研究3DP成形金屬零件初坯的尺寸精度及后處理燒結(jié)溫度對零件性能的影響規(guī)律。

1 實驗部分

1.1 實驗材料及設(shè)備

打印材料采用水霧化青銅663粉，松裝密度為4.05 g/cm3，粉末呈近球形（圖2a），粉末平均粒徑為25μm（圖2b），元素含量檢查結(jié)果為質(zhì)量分?jǐn)?shù)5.14% Sn、6.50% Zn、3.89% Pb；使用乙醇基酚醛樹脂作為粘結(jié)劑，其表面張力為33.01 mN/m，黏度為11.3 mPa·s。

圖2 青銅663粉末粒徑與微觀形貌

打印設(shè)備為EASYⅢ型打印機（圖3），由噴射系統(tǒng)、供墨系統(tǒng)、鋪送粉系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等組成，使用精工1020壓電式噴頭，成形腔體積為300 mm×300 mm×300 mm，打印速度為10～60 s/層。

1.2 實驗方法

打印參數(shù)設(shè)置為層厚200μm、白墨濃度60%、加壓時間370 ms、分辨率360 dpi×1080 dpi；使用管式爐在流通氬氣下燒結(jié)樣品，升溫速率為3℃/min，在600℃下保溫180 min，設(shè)定最高燒結(jié)溫度分別為900、920、940、960、980、1000℃，保溫240 min，隨爐冷卻。

圖3 3DP設(shè)備

1.3 樣品檢測

使用游標(biāo)卡尺測量青銅663初坯及燒結(jié)樣品的尺寸；通過阿基米德排水法測量初坯及燒結(jié)樣品的密度；燒結(jié)樣品經(jīng)過砂紙打磨、拋光后，并使用蔡司金相顯微鏡觀察孔隙及腐蝕后的金相；使用維氏硬度計測試燒結(jié)樣品硬度，載荷為3 N；使用電子萬能試驗機測試?yán)鞆姸?，加載速度為2 mm/min；使用掃描電鏡觀測粉末及初坯的微觀形貌。

2 結(jié)果與分析

2.1 初坯成形及尺寸精度

三維噴印技術(shù)將粘結(jié)劑選擇性地噴射在金屬粉床上，粘結(jié)劑在毛細(xì)作用下聚集在粉末顆粒接觸的縫隙中，酚醛樹脂經(jīng)加熱固化后形成粘結(jié)橋，將粉末粘結(jié)在一起，宏觀上表現(xiàn)為金屬初坯，在優(yōu)化工藝參數(shù)下噴射成形的10 mm×10 mm×10 mm立方體塊的宏觀與微觀形貌見圖4。

圖4 立方體塊的宏觀與微觀圖

由宏觀形貌可見，樣品輪廓明顯、棱邊清晰可辨，X-Y表面質(zhì)量較好，X-Z、Y-Z表面質(zhì)量稍差有分層，這是由于粉末顆粒通過極少量的粘結(jié)劑粘結(jié)形成一定強度，但是粘結(jié)劑在同一層粉末內(nèi)部Z軸方向未均勻分布，導(dǎo)致X-Z及Y-Z表面質(zhì)量不如X-Y面；微觀形貌顯示，樣品內(nèi)部有少量粘結(jié)劑，并分布在粉末顆粒與顆粒的接觸位置，如圖4d中方框所標(biāo)識。

表1是打印的青銅663初坯尺寸統(tǒng)計表。可見，高度（Z）方向上成形尺寸偏小，平均偏差在2%左右；成形平面（X，Y）方向上成形尺寸偏大，X，Y方向平均偏差分別在2.15%、2.7%左右。樣品整體成形精度在3%以內(nèi)，根據(jù)成形樣品的尺寸計算出成形偏差僅僅相當(dāng)于一個層厚的尺寸（200μm），尺寸精度較高。

表1 青銅663初坯尺寸統(tǒng)計

2.2 燒結(jié)溫度對樣品收縮及密度的影響

青銅663初坯經(jīng)過不同燒結(jié)溫度900、920、940、960、980、1000℃后經(jīng)歷了致密化過程，并產(chǎn)生了不同程度的收縮，不同燒結(jié)溫度下樣品的線收縮率與平均密度變化分別見表2與圖5。

圖5 不同燒結(jié)溫度后樣品的密度變化

結(jié)果表明：隨著燒結(jié)溫度的提高，樣品收縮率與密度都呈現(xiàn)先升高、后降低的趨勢，在900、920、940、960℃下燒結(jié)的樣品都產(chǎn)生了均勻收縮，當(dāng)溫度提高到980℃及以上時，樣品收縮不均勻。對樣品逐個分析，在900℃燒結(jié)后試樣收縮均勻，平均收縮率為15.65%，密度為6.17 g/cm3；在960℃燒結(jié)后試樣收縮比較均勻，整體形狀仍為立方體，但在棱邊層處可見熔融團(tuán)聚的大金屬球，平均收縮率為22.10%；980℃和1000℃燒結(jié)后試樣產(chǎn)生不均勻變形，無法測得準(zhǔn)確收縮率，樣品仍大致保持立方體外形。

2.3 燒結(jié)溫度對微觀形貌及力學(xué)性能的影響

根據(jù)上述實驗發(fā)現(xiàn)不同燒結(jié)溫度下的青銅663樣品內(nèi)部含有大量孔隙，因此有必要觀察燒結(jié)樣品內(nèi)部孔洞的數(shù)量、大小及形狀變化。圖6是不同燒結(jié)溫度下樣品的光學(xué)顯微鏡照片，可見隨著燒結(jié)溫度的提高，樣品內(nèi)部孔隙數(shù)量逐漸減少，單個孔洞面積增大，形狀由狹長的不規(guī)則狀逐漸生長為近圓形和圓形。

圖6 青銅663經(jīng)不同溫度燒結(jié)后的密度變化

金屬內(nèi)部的孔隙大小、數(shù)量及形狀會對基體的力學(xué)性能產(chǎn)生極大的影響。圖7是不同燒結(jié)溫度下樣品的維氏硬度，可見隨著燒結(jié)溫度的提高，樣品維氏硬度呈現(xiàn)先提高、再降低的趨勢，這是由于溫度從900℃升高至980℃時，樣品內(nèi)部孔隙數(shù)量逐漸減少，形狀由不規(guī)則狹長狀生長至近圓形，應(yīng)力集中作用減小，使燒結(jié)樣硬度逐漸提高；而當(dāng)燒結(jié)溫度從980℃升高至1000℃時，孔隙嚴(yán)重長大，造成承力面積減小，力學(xué)性能隨之下降。

圖7 不同燒結(jié)溫度下樣品的維氏硬度

3DP成形金屬零件時應(yīng)盡量保證收縮均勻且具有較高的致密度，綜合考慮這兩個因素，960℃下燒結(jié)的樣品最符合要求，因此測試960℃下燒結(jié)樣品的拉伸強度。圖8是960℃下青銅663的拉伸曲線，經(jīng)過計算，960℃下燒結(jié)樣品的最終拉伸強度為102.69 MPa，屈服強度為48.93 MPa，延伸率為8.46%，楊氏模量為36.51 GPa。

圖8 960℃燒結(jié)后樣品的拉伸曲線

3 結(jié)論

采用3DP工藝成形了高尺寸精度的青銅663金屬初坯及燒結(jié)樣品，并研究了燒結(jié)溫度對樣品密度、孔隙、尺寸精度、力學(xué)性能的影響規(guī)律，得到以下結(jié)論：

（1）成形的青銅663樣品初坯尺寸精度在3%以內(nèi)，尺寸精度較高。

（2）隨著燒結(jié)溫度的提高，樣品密度呈現(xiàn)先升高、再下降的趨勢，最高達(dá)7.4 g/cm3，孔隙率先下降、再上升，形狀由不規(guī)則狹長孔洞轉(zhuǎn)變?yōu)閳A形。

（3）保持收縮均勻可控的前提下，青銅663樣品經(jīng)960℃燒結(jié)后可得到最佳的性能，具體為密度7.07 g/cm3、硬度37.58HV、最終拉伸強度102.69 MPa、屈服強度48.93 MPa、延伸率8.46%，楊氏模量36.51 GPa。