316L不锈钢通过熔融沉积成型（FDM）工艺制备的研究：微观结构、几何与力学性能

作者及发表信息

本研究由俄罗斯圣彼得堡彼得大帝理工大学机械工程、材料与运输研究所的Maria Zaitceva、Anton Sotov、Anatoliy Popovich和Vadim Sufiiarov团队完成，发表于期刊Journal of Manufacturing and Materials Processing (J. Manuf. Mater. Process.) 2024年第8卷第259期。

学术背景

研究领域：本研究属于金属增材制造（Additive Manufacturing, AM）领域，聚焦于低成本金属零件制造技术，具体探讨基于熔融沉积成型（Fused Deposition Modeling, FDM）的金属填充丝材（metal-filled filament）工艺。

研究动机：传统金属增材制造技术（如粉末床熔融）设备成本高，且因高温熔化易产生残余应力与缺陷。而金属FDM技术通过低成本的桌面级3D打印机结合外包后处理，可显著降低生产成本，尤其适用于轻量化工程中复杂几何结构（如仿生螺旋结构）的制造。

研究目标：
1. 对比催化脱脂（catalytic debinding）与热脱脂（thermal debinding）对最终性能的影响；
2. 分析Ultrafuse 316L丝材的金属颗粒特性（尺寸分布、形貌、相组成）；
3. 评估烧结阶段的相分布（重点关注δ-Fe对耐腐蚀性的影响）；
4. 通过3D扫描验证几何尺寸的精确性；
5. 优化工艺参数以获得高密度（98%）零件。

研究流程详述

1. 材料与绿色模型制备

研究对象：商用BASF Ultrafuse 316L丝材（直径1.75 mm），其化学成分符合316L标准（Cr 16-18%，Ni 10-14%，Mo 2-3%）。
设备与参数：
- 打印机：Anisoprint Composer A4，喷嘴温度245°C，打印层厚0.1 mm/0.2 mm，挤出系数105%。
- 设计考虑：为补偿烧结收缩（XY方向~16%，Z方向~20%），3D模型预先缩放。

2. 脱脂与烧结工艺

两种脱脂方法对比：
- 催化脱脂：实验室自制设备（图1），120°C硝酸蒸汽中分解，惰性气体保护，反应产物通过丙烷燃烧器处理。
- 热脱脂：Carbolite Gero炉，阶梯升温（400°C保温3 h，600°C保温1 h），随后烧结（1380°C保温3 h）。

烧结阶段：通过JMatPro软件模拟相变过程，预测γ-Fe与δ-Fe的Gibbs自由能及相分数分布。

3. 表征与分析

密度测量：阿基米德法测得最高密度7.7 g/cm³（相对密度98%）。
微观结构：
- SEM与光学显微镜显示烧结后为等轴γ-Fe晶粒（平均尺寸55 μm），晶界残留2.5% δ-Fe。
- XRD确认γ-Fe（FCC）为主相，δ-Fe（BCC）为次要相。
力学性能：拉伸屈服强度140.8±2.4 MPa，抗拉强度455±10.3 MPa，延伸率38.2±3.6%，显微硬度163.7 HV。

几何精度：3D扫描显示烧结件平均偏差230 μm，薄悬垂区域变形显著。

主要结果与逻辑关联

1. 脱脂方法无显著差异：催化脱脂与热脱脂的样品在微观结构与力学性能上无明显差异，为简化工艺提供依据。
   
2. 丝材特性：金属颗粒呈球形（气体雾化法制备），粒径分布D50=14.5 μm，内部孔隙可能影响最终密度。
   
3. 烧结优化：1380°C烧结后δ-Fe残留，建议在冷却阶段引入1000-1200°C保温以减少δ-Fe，提升耐腐蚀性。
   
4. 轻量化应用潜力：成功打印仿生螺旋结构（helicoidal structure）等复杂几何，验证技术可行性。
   

结论与价值

科学价值：
- 证实热脱脂可替代催化脱脂，降低设备成本；
- 揭示了δ-Fe残留的机制，提出通过热处理工艺优化相组成。

应用价值：
- 为低成本金属FDM技术提供完整工艺链（打印-脱脂-烧结）验证；
- 适用于轻量化工程、生物医学植入物（如多孔结构）等场景。

研究亮点

1. 创新工艺对比：首次系统比较催化脱脂与热脱脂对316L FDM零件性能的影响。
   
2. 全流程表征：从丝材特性到最终性能，涵盖微观结构、相组成、力学性能及几何精度。
   
3. 仿生结构探索：提出金属FDM在螺旋结构等仿生设计中的应用潜力。
   

其他有价值内容

• 热等静压（Hot Isostatic Pressing, HIP）可作为进一步提升密度的备选方案；
  
• 需进一步研究打印参数（如层厚、填充策略）对力学性能的优化空间。