钛金属DIW研究：3D打印金属丝在脱脂/烧结过程的间隙扩散

来源：材料科学与工程

部分增材制造技术需要在3D打印后进行热处理，即脱脂/烧结。使用这些技术研究最多的金属之一是Ti-6Al-4V(Ti64)，Ti64由于性能优异在生物医学和航空航天应用广泛。直接墨水书写(DIW)可以通过足够流变性的粉状油墨或糊状物一层一层地建立结构，而不需要融合，零件经过热处理以达到其最终的结构和机械性能。这种“低成本”的工艺能够生产出具有良好孔隙度的Ti64部件，这对于工程应用很有意义。在增材制造工艺下，去除主粘结剂会形成一个相互连接的孔隙网络，在二次热脱脂过程中有利于主粘结剂的逸出。因此，粘结剂中的碳、氧和氢可以渗透到金属中，从而影响金属的最终性能。Ti64由于易氧化，烧结处理多在高真空下进行的。为了更好地理解Ti64脆化、碳/氧摄入量和碳化物析出之间的联系，有必要采用耦合模型方法，而现有报道中没有相关研究。

法国里昂大学的研究人员评估了脱脂条件(温度、保温时间、加热速率、气氛)对Ti64 3D打印支架组织和力学性能的影响，对不同脱脂条件下的力学性能进行了讨论。相关论文以题为“Modeling of interstitials diffusion during debinding/sintering of 3D printed metallic filaments: Application to titanium alloy and its embrittlement”发表在Acta Materialia。

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.actamat.2021.117224

本文通过DIW制备Ti64试样，进行不同工艺脱脂和烧结，脱脂温度分为350℃和500℃，保温时间为30min和2h，加热速率为1℃/min和5℃/min，最后试样进行1200×2h的二次真空烧结(炉冷)。

研究发现350℃是可以从3D打印结构中去除Pluronic F-127的最低温度。碳化钛只存在于500℃脱粘的样品中，其中间隙含量最高。这种存在解释了所产生的微观结构，具有更小的等轴α。当碳含量足够大时，从烧结温度冷却会使β相析出碳化钛。在0.34 wt%左右的氧当量下观察到的延展性下降与以前用MIM对Ti64零件进行的观察结果一致。由脱脂条件变化引起的碳氧摄入量差异可用扩散量定量解释。因此，钛的DIW后脱脂温度应尽可能的低，以尽量减少粘结剂向颗粒间隙的扩散。

图1 粉末粘结模型和后处理工艺

图2 不同处理工艺下的表面形貌、截面组织以及元素分布

图3 烧结组织(a) D500S1200和(b) D350-S1200的EBSD反极图及其相图

图4 D500-S1200和D350-51200的压缩应力-应变曲线和不同应变水平下的内部损伤

本文对直接墨水书写后不同脱脂处理得到的Ti64结构进行了间隙含量测定、XRD、SEM分析和力学性能测试。应用扩散/析出模型研究了碳和氧的吸收和钛碳化物的析出。在动态真空、350℃、加热速率为1℃/min的条件下脱脂处理30 min，获得了最佳的碳氧吸收。这种处理导致C和N含量符合ASTM F1108标准用于外科植入的Ti64合金铸件。与标准要求的0.20 wt%相比，氧含量仍然偏高，但可以通过优化烧结条件和/或调整所使用粉末的间隙含量来降低。本文对3D打印在钛合金上的应用具有指导意义。（文：破风）