文档介绍：华中科技大学
博士学位论文
不锈钢粉末选择性激光烧结/等静压复合成形技术研究
姓名:鲁中良
申请学位级别:博士
专业:材料加工工程
指导教师:史玉升
20080501
华中科技大学博士学位论文
摘要
选择性激光烧结(Selective Laser Sintering, SLS) 技术是快速成形(Rapid
Prototyping,RP)领域发展较成熟与应用较广泛的技术之一,一直受到国内外重视。但
是通过 SLS 技术制造金属零件,存在致密度低与力学性能差等缺陷,严重限制了其
发展与应用。尽管近年来国内外研究通过熔渗金属等方法提高 SLS 零件的致密度,
但是其力学性能依然难以满足使用要求。针对上述问题,为了制造高致密高性能复
杂不锈钢零件,本论文将等静压(Isostatic Pressure, IP)技术引入 SLS 领域,形成 SLS/IP
复合成形技术。采用 SLS/IP 技术制造 AISI304 与 AISI316L 不锈钢零件,通过 TG 热
分析、X 射线衍射(XRD)、SEM 以及力学性能检测等手段研究 AISI304 与 AISI316L
SLS/IP 零件致密化机理、金相组织与力学性能;在脱脂后续处理阶段零件各向收缩
相同条件下,建立各环节尺寸精度数学物理模型,为进一步研究其尺寸精度奠定理
论基础。主要研究内容与结论如下:
(1)研究了 AISI304 与 AISI316L 不锈钢粉末 SLS 成形与热脱脂机理及其工艺。
针对本论文非晶态高聚物环氧树脂 E12 与晶态高聚物尼龙 PA12 两种粘结剂,采取混
合法与覆膜法制取了上述两种 SLS 不锈钢复合材料,确定了相应最佳 SLS 成形工艺
参数(预热温度、激光功率、扫描速度、扫描间距与单层层厚)分别为 50-55℃、19-20W、
1900-2000mm/s、-、- 与 150-165℃、15-17W、1800-2000mm/s、
-、-;根据热脱脂机理以及 E12 和 PA12 的 TG 曲线,制定了合
理的热脱脂工艺。
(2)研究了 SLS/冷等静压(Cold Isostatic Pressure, CIP)包套材料(天然橡胶胶乳
与硅橡胶),提出将天然橡胶胶乳运用到 SLS/CIP 工艺。相对于硅橡胶,天然橡胶胶
乳成膜性较好,并且能够随形密封复杂 SLS 零件,适用于 SLS/CIP 包套制作。
(3)研究了 AISI304 与 AISI316L SLS 零件的热脱脂后续处理机理与工艺,以及
相应工艺参数对其致密度与性能的影响规律,并提出其 SLS/CIP 致密化机理与最小
SLS/CIP 阀值思想。其中,根据 CIP 理论与 SLS 脱脂多孔材料特性,上述不锈钢
SLS/CIP 致密化机理为烧结颈破碎、金属颗粒重排与塑性变形综合作用;针对 AISI304
不锈钢脱脂试样,最小 SLS/CIP 阀值为 400MPa;在经过 650MPa CIP、1350℃高温
烧结与 1200℃/120MPa 热等静压(Hold Isostatic Pressure, HIP)处理后,其致密度分别
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达到 86%、95%与 98%;并且,其 SLS/HIP 试样的弹性模量、屈服强度、拉伸强度
与延伸率分别达到 、306MPa、 与 %,力学性能与固溶处理
AISI304 致密材料相当;针对 AISI316L 不锈钢脱脂试样,最小 SLS/CIP 阀值为
300MPa;在 1320℃高温烧结与 1250℃/120MPa HIP 处理后,其致密度超过 95%;
同时,其弹性模量、屈服强度、拉伸强度与延伸率分别达到 、277MPa、
与 %。
(4)在高温烧结与 HIP 环节,研究了微量 Cu 与 FeB 对 AISI304 试样致密度、
弹性模量、屈服强度、拉伸强度与延伸率的影响规律,以及微量 Si 与 FeMn 对
AISI316L 试样致密度、弹性模量、屈服强度、拉伸强度与延伸率的影响规律。根据
液相烧结理论与 XRD 检测方法,微量 Cu 与 FeB 均能提高 AISI304 SLS/IP 试样致密
度,并且,当 Cu 含量从 1%增加到 3%时,在奥氏体基体上析出 NixCuy 固溶体,致
使其力学性能逐渐改善,当 FeB 含量从 %增加到 5%,Fe-B 与 Ni-B 低熔共晶物
沿晶界析出,致使其力学性能逐渐降低;微量 Si 与