金屬熔絲熔融成型制備Ni60合金工藝參數(shù)的優(yōu)化研究①

2022-11-10 06:25:26許淑溶隋清萱趙風(fēng)君

礦冶工程 2022年5期

劉博，王臻，王江，2，許淑溶，隋清萱，趙風(fēng)君，龔樂，劉軍

（1.中南大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，湖南長沙 410083；2.鎳鈷資源綜合利用國家重點實驗室，甘肅金昌 737100）

Ni60合金因其高硬度、高強度、耐腐蝕和耐摩擦性能好，常作為涂層材料廣泛應(yīng)用于冶金、航空航天、輪船以及汽車等行業(yè)［1］。涂層與基體結(jié)合強度差、過薄，導(dǎo)致其難耐高應(yīng)力、強沖擊，承載能力低，且工件存在微結(jié)構(gòu)、空腔或死角時，激光熔覆或等離子、熱噴涂等常規(guī)方法無法確保涂層覆蓋均勻［2-3］。增材制造［4］綜合了物理學(xué)、化學(xué)、材料學(xué)、計算機學(xué)、機電控制等學(xué)科技術(shù)，因其智能化、數(shù)字化、一體化、輕量化而被廣泛關(guān)注。基于使用材料，增材制造可被分為金屬增材制造、非金屬增材制造和生物增材制造［5-9］。金屬增材制造又根據(jù)其打印方式分為選區(qū)激光熔化、激光近凈成型、黏結(jié)劑噴射成型、金屬熔絲熔融成型等［10-13］。本文以Ni60為例，基于金屬熔絲熔融成型技術(shù)制備Ni60合金零件，并對其成型過程中各階段工藝參數(shù)進行優(yōu)化，旨在制備出性能優(yōu)異的Ni60工件，以應(yīng)用于冶金及其他行業(yè)中。

1 材料與實驗

1.1 實驗材料

實驗所用原材料主要有金屬粉末和黏結(jié)劑。其中金屬粉末選用平均粒徑40.3 μm的Ni60粉末，其化學(xué)成分見表1，Ni60粉末流動性為14.5 s／50 g、松裝密度為4.2 g／cm3；黏結(jié)劑由多種有機高分子和添加劑組成，主要成分包括聚乳酸、聚丙烯、乙烯-丙烯酸丁酯-甲基丙烯酸縮水甘油酯共聚物、聚對苯二甲酸乙二醇酯-1，4-環(huán)己烷二甲醇酯、馬來酸酐接枝乙烯-辛烯共聚物、馬來酸酐接枝聚丙烯、硬脂酸、微晶蠟和氧化鋅。

表1 Ni60粉末化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） %

1.2 絲材制備與金屬熔絲熔融成型

首先將上述除硬脂酸、微晶蠟和氧化鋅之外的有機高分子材料混合均勻，然后將Ni60粉末與混合物在真空環(huán)境下50℃烘干24 h，烘干完成后，將一定量混合物與少量粉末分批次加入單螺桿擠出機中，在170～205℃下將擠出料多次放入擠出機中以保證擠出料中金屬粉末與混合物的均勻性，再在180～200℃下將混合均勻的擠出料擠壓成直徑1.75 mm的絲材。

制備的絲材通過熔絲熔融成型設(shè)備打印生坯。前期研究發(fā)現(xiàn)，噴嘴溫度230℃、熱床溫度50℃、打印速度10 mm／s、填充密度100%并采用線性交替填充路徑時可以打印出質(zhì)量較優(yōu)的生坯。為了研究打印參數(shù)對生坯相對密度變化規(guī)律的影響，在前期研究基礎(chǔ)上通過三因素三水平正交實驗研究重疊率、擠出比和分層厚度的影響，具體實驗參數(shù)見表2。

表2 正交實驗參數(shù)

生坯打印成型后，采用溶劑+熱脫脂法對其進行脫脂處理。脫脂溶劑選擇正庚烷，脫脂溫度50℃，脫脂時間8 h。熱脫脂和燒結(jié)過程在氬氣氛圍的管式爐中進行，升溫曲線見圖1。

圖1 升溫曲線

1.3 試樣表征

采用阿基米德定律測量生坯和燒結(jié)坯相對密度，分別測量生坯和燒結(jié)坯各方向的尺寸從而計算燒結(jié)后坯體的收縮率，以上步驟各重復(fù)3次。使用80目到5 000目的砂紙打磨樣品X-Z面，然后使用金剛石噴霧和王水對燒結(jié)坯表面進行拋光和腐蝕。使用X射線衍射儀（XRD）對樣品進行表征；通過光學(xué)顯微鏡（OM）和掃描電子顯微鏡（SEM）觀察試樣的微觀組織并通過能譜儀進行元素分析；以X-Z面底部為起點，每隔0.15 mm進行硬度測試。

2 實驗結(jié)果與討論

2.1 打印參數(shù)對相對密度的影響

表3為正交實驗結(jié)果與極差分析結(jié)果。可以看出，參數(shù)組合為重疊率15%、擠出比120%、分層厚度100 μm時，生坯相對密度最高，達到92.60%；在熔絲熔融成型過程中擠出比對相對密度影響最大、重疊率影響最小。

表3 正交實驗結(jié)果及極差分析結(jié)果

重疊率是生坯內(nèi)部路徑與外圍壁重疊的程度，絲材通過噴嘴時橫截面為圓形，意味著絲材在沉積時內(nèi)部路徑與外壁間有空隙，重疊率越高，這種空隙越小。生坯內(nèi)部空隙越少，相對密度越高。絲材在通過噴嘴時，噴嘴內(nèi)部對熔融絲材的限制及受到后面絲材的推擠，熔融的絲材內(nèi)部會產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，這種內(nèi)應(yīng)力會在絲材沉積時釋放，導(dǎo)致絲材發(fā)生膨脹，不會緊密堆積，膨脹的沉積絲材間會有一定空隙，而擠出比影響絲材被打印機推入噴嘴時的單位速度，擠出比越高，單位時間內(nèi)在同一地點沉積堆疊的熔融絲材越多，致使多余部分向沉積間隙中擠入，減少生坯內(nèi)部空隙體積。降低分層厚度可以減小絲材內(nèi)應(yīng)力，減少膨脹現(xiàn)象，進而減小生坯空隙體積，提高相對密度。

2.2 燒結(jié)性能

圖2為試樣平均相對密度和X、Y、Z方向的收縮率隨保溫時間的變化。保溫時間60 min時，燒結(jié)零件相對密度最低，為88.3%，內(nèi)部孔隙體積高，燒結(jié)不完全；保溫時間延長至120 min和180 min，相對密度分別提升至90.76%和95.68%，說明延長保溫時間能有效減小孔隙率。燒結(jié)坯各方向收縮率隨保溫時間增加而提高，從另一個方面印證了延長保溫時間可以減小燒結(jié)坯中的孔隙率進而提高相對密度。

圖2 燒結(jié)坯相對密度和收縮率隨保溫時間的變化

一般情況下，半成品在燒結(jié)過程中的收縮行為可以分為3種：首先是打印平面內(nèi)的絲材徑向收縮，如圖3（a）所示，該方向僅有粉末間隙，收縮率在3個方向上最小；其次是打印平面內(nèi)的絲材法向收縮，如圖3（b）所示，除了粉末間隙，還有沉積絲材間的空隙，收縮率大于徑向；最后是沉積即重力方向收縮，如圖3（c）所示，它除了含有打印平面內(nèi)徑向和法向所有的空隙，還存在重力導(dǎo)致的收縮情況，其收縮率遠大于另外兩個方向。本實驗中打印路徑是線性交替填充，X和Y方向的收縮都可以視為打印平面內(nèi)徑向和法向2個方向上收縮的整合，反映在收縮率相似的X和Y方向上，而在重力方向（Z方向）上收縮程度則遠高于X和Y方向。

圖3 生坯燒結(jié)收縮情況

圖4為不同保溫時間下燒結(jié)坯的XRD圖譜。可以發(fā)現(xiàn)，不同保溫時間下燒結(jié)坯組成相相同，主要為γ-Ni、Ni3Si、Ni17Si3、Ni3Fe、Ni3B、Cr7C3、Cr23C6和CrB。

圖4 不同保溫時間下燒結(jié)坯XRD圖譜

圖5為不同保溫時間下燒結(jié)坯的微觀組織。保溫時間60 min時，燒結(jié)坯內(nèi)部存在非球形的不規(guī)則孔，這些不規(guī)則孔主要來自生坯中絲材或?qū)又g的空隙或粉末間隙，這些空隙在短保溫時間下未能完全閉合。保溫時間延長至120 min，部分孔隙已閉合，并存在一些鏈狀孔隙，這些孔隙來自于生坯打印平面內(nèi)絲材法向的沉積絲材間隙或重力方向的層間隙，由于這些間隙較長，保溫120 min不足以使其完全閉合。保溫時間延長至180 min，燒結(jié)坯中的孔隙進一步閉合，但仍存在圓形孔。這是因為燒結(jié)坯內(nèi)部存在較高壓力，燒結(jié)驅(qū)動力無法繼續(xù)收縮孔隙，此時繼續(xù)增加保溫時間也無法閉合這些孔隙，反而會粗化組織、降低性能［14］。

圖5 不同保溫時間下的金相組織

圖6為不同保溫時間下燒結(jié)坯的SEM圖像。可以看出，燒結(jié)過程中有相析出。保溫時間60 min時，析出的相僅以20～40 μm的團狀分布在內(nèi)部基體上，這是由于保溫時間過短，元素擴散不充分，析出相較少；經(jīng)EDS分析可知，淺灰色析出相為Cr7C3和Cr23C6，深灰色析出相為CrB，基體以Ni為主；結(jié)合XRD分析可知析出相為γ-Ni、Ni3Si、Ni17Si3、Ni3Fe、Ni3B。保溫時間延長至120 min，這些團狀分布的析出相增加到40～60 μm。進一步延長保溫時間，析出相開始擴散至各區(qū)域，且某些析出相開始變得粗大。結(jié)合不同相的化學(xué)成分（表4）和Mapping進一步分析，與表1對比發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)e、Si與Cr、C遷移方向相反，F(xiàn)e、Si及部分B更易于向基體遷移，與Ni形成固溶體，另一部分基體則是鎳基固溶體，而Cr、C及另一部分B更易于向外析出，形成析出相。