基于粘结剂喷射的B4C/316L不锈钢复合材料成形工艺及性能研究

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316L不锈钢是一种Cr-Ni-Mo型超低碳奥氏体不锈钢,具有优异的耐腐蚀性、生物相容性以及良好的力学性能,在生物医学和工业上被广泛地应用。传统的316L不锈钢生产工艺存在材料利用率低和工艺流程复杂的问题,难以顺应现代市场的快速迭代趋势。粘结剂喷射成形工艺(BJP)基于“离散-堆积”原理,可以在常温下实现复杂结构件的快速成形,为316L不锈钢制件的小批量生产提供了新的思路。但目前316L不锈钢材料的BJP工艺尚不成熟,还有待更深入的研究。本文以提升BJP 316L不锈钢制件的致密度和力学性能为主要目标,对316L不锈钢材料的整套BJP工艺进行了系统性研究。基于有限元仿真软件对粘结剂的滴落和渗透形态进行了预测,探索了BJP 316L不锈钢制件的烧结工艺和B4C对烧结体性能的影响规律。研究内容及成果如下:(1)基于COMSOL Multiphysics软件对双液滴的滴落与渗透形态进行预测。当两液滴间距大于200μm会使液滴不能完全搭接,从而达不到理想的粘结效果;而液滴滴落高度大于等于3mm则会产生较严重的溅射影响打印精度。(2)对比了粉末粒度分布对BJP 316L不锈钢制件性能的影响。BJP工艺中采用双峰分布的316L不锈钢粉末,可以解决大粒径粉末堆积密度小和小粒径粉末团聚严重的问题,得到致密度提升且孔隙分布均匀的制件。(3)优化BJP 316L不锈钢制件的烧结工艺曲线,研究了烧结温度和保温时间对烧结体微观组织和力学性能的影响。结果表明,在1380℃下保温2小时能够获得微观组织均匀、孔隙率低且力学性能良好的烧结体,即体积密度为6.94g/cm~3(相对密度为86.97%),压缩屈服强度为239.93MPa,抗拉强度为426.59MPa,断裂伸长率为32.94%。(4)在316L不锈钢粉末中添加B4C,研究B4C对烧结体性能的影响规律。B4C能够在较低的温度下实现316L不锈钢烧结体的致密化,但也使烧结组织中生成网状硼化物,降低试样的韧性。当烧结温度为1250℃、B4C含量为1wt%时,烧结体可以在保持形状完整性的情况下获得最大的体积密度6.87g/cm~3(相对密度为86.1%),并且此时烧结体拥有最佳的力学性能,即压缩屈服强度为349.73MPa,抗拉强度为311.51MPa,断裂伸长率为17.63%。
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