三维喷印成形青铜663工艺研究

毛贻桅，李敬文，魏青松，史玉升

（华中科技大学材料科学与工程学院，材料成形与模具技术国家重点实验室，湖北武汉430074）

三维喷印（three-dimensional printing，3DP）又称粘结剂喷射 （binder jetting additive manufacturing，BJAM）技术，最初由Emanual Sachs等[1]于20世纪90年代初所发明。图1是3DP的技术原理：喷头根据三维模型各层的轮廓信息将微型液滴选择性地喷射在粉末薄层表面，粘结剂与粉末发生物理化学反应并产生一定的结合力，形成当前层截面轮廓，逐层循环；层与层之间通过液滴的粘结作用固连，直至三维模型打印完成，粘结成形的部分经后处理工序形成三维实体模型或零件。3DP技术在国内外迅猛发展，可成形石膏、陶瓷、高分子、宝珠砂等材料[2]，并在工业设计、建筑设计、汽车制造、航空航天、医疗器械等领域得到了较为广泛的应用[3]。

图1 3DP技术原理图

相比于金属3D打印设备造价高、附配件昂贵、高能束逐点熔化微细粉末效率低[4-5]，3DP技术利用数百甚至上万个喷嘴喷射成形，效率明显高于高能束工艺，且兼具低成本优势，目前美、德等国3DP技术已成功应用于铸造砂型和塑料件打印，并开始拓展至金属打印。国内外学术界对三维喷印成形金属零件也做了相关研究，主要集中在镍基[6-8]、铁基[9-11]、钛基[12-14]等材料体系，研究方向主要集中在成形参数（如分层厚度、喷液量、成形方向等）、后烧结工艺（如烧结温度、保温时间、烧结气氛、烧结压力等）及热处理对试样的收缩率、孔隙率、微观形貌、相组织演变和力学性能等方面的影响[15-18]。

由于3DP成形金属零件技术近几年才开始得到大力研究，因此技术成熟度、理论深入度相比于激光选区熔化等技术还有不小差距。本文选取耐负荷、耐磨耐腐蚀的青铜663粉末作为实验材料，研究3DP成形金属零件初坯的尺寸精度及后处理烧结温度对零件性能的影响规律。

1 实验部分

1.1 实验材料及设备

打印材料采用水雾化青铜663粉，松装密度为4.05 g/cm3，粉末呈近球形（图2a），粉末平均粒径为25μm（图2b），元素含量检查结果为质量分数5.14% Sn、6.50% Zn、3.89% Pb；使用乙醇基酚醛树脂作为粘结剂，其表面张力为33.01 mN/m，黏度为11.3 mPa·s。

图2 青铜663粉末粒径与微观形貌

打印设备为EASYⅢ型打印机（图3），由喷射系统、供墨系统、铺送粉系统、控制系统等组成，使用精工1020压电式喷头，成形腔体积为300 mm×300 mm×300 mm，打印速度为10～60 s/层。

1.2 实验方法

打印参数设置为层厚200μm、白墨浓度60%、加压时间370 ms、分辨率360 dpi×1080 dpi；使用管式炉在流通氩气下烧结样品，升温速率为3℃/min，在600℃下保温180 min，设定最高烧结温度分别为900、920、940、960、980、1000℃，保温240 min，随炉冷却。

图3 3DP设备

1.3 样品检测

使用游标卡尺测量青铜663初坯及烧结样品的尺寸；通过阿基米德排水法测量初坯及烧结样品的密度；烧结样品经过砂纸打磨、抛光后，并使用蔡司金相显微镜观察孔隙及腐蚀后的金相；使用维氏硬度计测试烧结样品硬度，载荷为3 N；使用电子万能试验机测试拉伸强度，加载速度为2 mm/min；使用扫描电镜观测粉末及初坯的微观形貌。

2 结果与分析

2.1 初坯成形及尺寸精度

三维喷印技术将粘结剂选择性地喷射在金属粉床上，粘结剂在毛细作用下聚集在粉末颗粒接触的缝隙中，酚醛树脂经加热固化后形成粘结桥，将粉末粘结在一起，宏观上表现为金属初坯，在优化工艺参数下喷射成形的10 mm×10 mm×10 mm立方体块的宏观与微观形貌见图4。

图4 立方体块的宏观与微观图

由宏观形貌可见，样品轮廓明显、棱边清晰可辨，X-Y表面质量较好，X-Z、Y-Z表面质量稍差有分层，这是由于粉末颗粒通过极少量的粘结剂粘结形成一定强度，但是粘结剂在同一层粉末内部Z轴方向未均匀分布，导致X-Z及Y-Z表面质量不如X-Y面；微观形貌显示，样品内部有少量粘结剂，并分布在粉末颗粒与颗粒的接触位置，如图4d中方框所标识。

表1是打印的青铜663初坯尺寸统计表。可见，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方向平均偏差分别在2.15%、2.7%左右。样品整体成形精度在3%以内，根据成形样品的尺寸计算出成形偏差仅仅相当于一个层厚的尺寸（200μm），尺寸精度较高。

表1 青铜663初坯尺寸统计

2.2 烧结温度对样品收缩及密度的影响

青铜663初坯经过不同烧结温度900、920、940、960、980、1000℃后经历了致密化过程，并产生了不同程度的收缩，不同烧结温度下样品的线收缩率与平均密度变化分别见表2与图5。

图5 不同烧结温度后样品的密度变化

结果表明：随着烧结温度的提高，样品收缩率与密度都呈现先升高、后降低的趋势，在900、920、940、960℃下烧结的样品都产生了均匀收缩，当温度提高到980℃及以上时，样品收缩不均匀。对样品逐个分析，在900℃烧结后试样收缩均匀，平均收缩率为15.65%，密度为6.17 g/cm3；在960℃烧结后试样收缩比较均匀，整体形状仍为立方体，但在棱边层处可见熔融团聚的大金属球，平均收缩率为22.10%；980℃和1000℃烧结后试样产生不均匀变形，无法测得准确收缩率，样品仍大致保持立方体外形。

2.3 烧结温度对微观形貌及力学性能的影响

根据上述实验发现不同烧结温度下的青铜663样品内部含有大量孔隙，因此有必要观察烧结样品内部孔洞的数量、大小及形状变化。图6是不同烧结温度下样品的光学显微镜照片，可见随着烧结温度的提高，样品内部孔隙数量逐渐减少，单个孔洞面积增大，形状由狭长的不规则状逐渐生长为近圆形和圆形。

图6 青铜663经不同温度烧结后的密度变化

金属内部的孔隙大小、数量及形状会对基体的力学性能产生极大的影响。图7是不同烧结温度下样品的维氏硬度，可见随着烧结温度的提高，样品维氏硬度呈现先提高、再降低的趋势，这是由于温度从900℃升高至980℃时，样品内部孔隙数量逐渐减少，形状由不规则狭长状生长至近圆形，应力集中作用减小，使烧结样硬度逐渐提高；而当烧结温度从980℃升高至1000℃时，孔隙严重长大，造成承力面积减小，力学性能随之下降。

图7 不同烧结温度下样品的维氏硬度

3DP成形金属零件时应尽量保证收缩均匀且具有较高的致密度，综合考虑这两个因素，960℃下烧结的样品最符合要求，因此测试960℃下烧结样品的拉伸强度。图8是960℃下青铜663的拉伸曲线，经过计算，960℃下烧结样品的最终拉伸强度为102.69 MPa，屈服强度为48.93 MPa，延伸率为8.46%，杨氏模量为36.51 GPa。

图8 960℃烧结后样品的拉伸曲线

3 结论

采用3DP工艺成形了高尺寸精度的青铜663金属初坯及烧结样品，并研究了烧结温度对样品密度、孔隙、尺寸精度、力学性能的影响规律，得到以下结论：

（1）成形的青铜663样品初坯尺寸精度在3%以内，尺寸精度较高。

（2）随着烧结温度的提高，样品密度呈现先升高、再下降的趋势，最高达7.4 g/cm3，孔隙率先下降、再上升，形状由不规则狭长孔洞转变为圆形。

（3）保持收缩均匀可控的前提下，青铜663样品经960℃烧结后可得到最佳的性能，具体为密度7.07 g/cm3、硬度37.58HV、最终拉伸强度102.69 MPa、屈服强度48.93 MPa、延伸率8.46%，杨氏模量36.51 GPa。