鈦金屬DIW研究：3D打印金屬絲在脫脂/燒結(jié)過(guò)程的間隙擴(kuò)散

來(lái)源：材料科學(xué)與工程

部分增材制造技術(shù)需要在3D打印后進(jìn)行熱處理，即脫脂/燒結(jié)。使用這些技術(shù)研究最多的金屬之一是Ti-6Al-4V(Ti64)，Ti64由于性能優(yōu)異在生物醫(yī)學(xué)和航空航天應(yīng)用廣泛。直接墨水書(shū)寫(xiě)(DIW)可以通過(guò)足夠流變性的粉狀油墨或糊狀物一層一層地建立結(jié)構(gòu)，而不需要融合，零件經(jīng)過(guò)熱處理以達(dá)到其最終的結(jié)構(gòu)和機(jī)械性能。這種“低成本”的工藝能夠生產(chǎn)出具有良好孔隙度的Ti64部件，這對(duì)于工程應(yīng)用很有意義。在增材制造工藝下，去除主粘結(jié)劑會(huì)形成一個(gè)相互連接的孔隙網(wǎng)絡(luò)，在二次熱脫脂過(guò)程中有利于主粘結(jié)劑的逸出。因此，粘結(jié)劑中的碳、氧和氫可以滲透到金屬中，從而影響金屬的最終性能。Ti64由于易氧化，燒結(jié)處理多在高真空下進(jìn)行的。為了更好地理解Ti64脆化、碳/氧攝入量和碳化物析出之間的聯(lián)系，有必要采用耦合模型方法，而現(xiàn)有報(bào)道中沒(méi)有相關(guān)研究。

法國(guó)里昂大學(xué)的研究人員評(píng)估了脫脂條件(溫度、保溫時(shí)間、加熱速率、氣氛)對(duì)Ti64 3D打印支架組織和力學(xué)性能的影響，對(duì)不同脫脂條件下的力學(xué)性能進(jìn)行了討論。相關(guān)論文以題為“Modeling of interstitials diffusion during debinding/sintering of 3D printed metallic filaments: Application to titanium alloy and its embrittlement”發(fā)表在Acta Materialia。

論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.actamat.2021.117224

本文通過(guò)DIW制備Ti64試樣，進(jìn)行不同工藝脫脂和燒結(jié)，脫脂溫度分為350℃和500℃，保溫時(shí)間為30min和2h，加熱速率為1℃/min和5℃/min，最后試樣進(jìn)行1200×2h的二次真空燒結(jié)(爐冷)。

研究發(fā)現(xiàn)350℃是可以從3D打印結(jié)構(gòu)中去除Pluronic F-127的最低溫度。碳化鈦只存在于500℃脫粘的樣品中，其中間隙含量最高。這種存在解釋了所產(chǎn)生的微觀結(jié)構(gòu)，具有更小的等軸α。當(dāng)碳含量足夠大時(shí)，從燒結(jié)溫度冷卻會(huì)使β相析出碳化鈦。在0.34 wt%左右的氧當(dāng)量下觀察到的延展性下降與以前用MIM對(duì)Ti64零件進(jìn)行的觀察結(jié)果一致。由脫脂條件變化引起的碳氧攝入量差異可用擴(kuò)散量定量解釋。因此，鈦的DIW后脫脂溫度應(yīng)盡可能的低，以盡量減少粘結(jié)劑向顆粒間隙的擴(kuò)散。

圖1 粉末粘結(jié)模型和后處理工藝

圖2 不同處理工藝下的表面形貌、截面組織以及元素分布

圖3 燒結(jié)組織(a) D500S1200和(b) D350-S1200的EBSD反極圖及其相圖

圖4 D500-S1200和D350-51200的壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線和不同應(yīng)變水平下的內(nèi)部損傷

本文對(duì)直接墨水書(shū)寫(xiě)后不同脫脂處理得到的Ti64結(jié)構(gòu)進(jìn)行了間隙含量測(cè)定、XRD、SEM分析和力學(xué)性能測(cè)試。應(yīng)用擴(kuò)散/析出模型研究了碳和氧的吸收和鈦碳化物的析出。在動(dòng)態(tài)真空、350℃、加熱速率為1℃/min的條件下脫脂處理30 min，獲得了最佳的碳氧吸收。這種處理導(dǎo)致C和N含量符合ASTM F1108標(biāo)準(zhǔn)用于外科植入的Ti64合金鑄件。與標(biāo)準(zhǔn)要求的0.20 wt%相比，氧含量仍然偏高，但可以通過(guò)優(yōu)化燒結(jié)條件和/或調(diào)整所使用粉末的間隙含量來(lái)降低。本文對(duì)3D打印在鈦合金上的應(yīng)用具有指導(dǎo)意義。（文：破風(fēng)）