利用澤攸科技ZEM系列臺式掃描電鏡分析金屬FDM工藝中燒結(jié)過程的微觀結(jié)構(gòu)演變

盡管金屬FDM技術(shù)具有諸多優(yōu)點，但其脫脂過程仍面臨挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)的脫脂方法包括有機溶劑脫脂、催化脫脂、水脫脂和熱脫脂等，這些方法往往需要復(fù)雜的操作流程和有毒化學(xué)試劑的使用，增加了制造成本和環(huán)境負(fù)擔(dān)。特別是對于較厚的零件，僅依靠熱脫脂可能會導(dǎo)致鼓泡或開裂等問題，使得無化學(xué)試劑的金屬FDM制造工藝成為亟待解決的問題。因此開發(fā)一種無需使用化學(xué)脫脂劑且能有效避免結(jié)構(gòu)損傷的金屬FDM工藝，對于推動薄壁金屬結(jié)構(gòu)的實際應(yīng)用具有重要意義。

針對上述問題，由中國科學(xué)院金屬研究所、大連交通大學(xué)等組成的研究團隊利用澤攸科技ZEM系列臺式掃描電鏡進行了深入研究，他們共同探索了通過金屬熔融沉積建模（FDM）技術(shù)結(jié)合熱脫脂工藝，制備無需使用化學(xué)脫脂劑的薄壁金屬結(jié)構(gòu)，并驗證了其能量吸收能力的提升效果，研究結(jié)果為復(fù)雜薄壁金屬結(jié)構(gòu)的安全高效制造提供了新思路。相關(guān)成果以《Fabrication of Thin-Walled Metal Structures with Enhanced Energy Absorption Capabilities by Metal-Fused Deposition Modeling without Using Debinding Chemical Reagents》為題發(fā)表在《Advanced Engineering Materials》期刊上，原文鏈接：doi.org/10.1002/adem.20

論文的主要研究內(nèi)容圍繞通過金屬熔融沉積建模（FDM）技術(shù)結(jié)合熱脫脂工藝，制備高性能薄壁金屬結(jié)構(gòu)展開。研究團隊首先探討了金屬FDM技術(shù)的基本原理和打印過程，使用包含316L不銹鋼粉末和粘合劑的Ultrafuse 316L絲材作為原料。通過工業(yè)級FDM打印機完成打印，并優(yōu)化了打印參數(shù)，如打印溫度、床溫、打印速度和層高等，以確保打印件具有高密度和良好的表面質(zhì)量。打印后的綠色零件中，不銹鋼粉末被粘合劑均勻包裹，但由于高金屬粉末含量，部分區(qū)域形成了小孔隙，這些孔隙在后續(xù)脫脂和燒結(jié)過程中對材料性能有重要影響。

隨后研究重點轉(zhuǎn)向熱脫脂工藝的開發(fā)與優(yōu)化，團隊通過熱重分析（TGA）確定了粘合劑的分解溫度范圍，并設(shè)計了在真空和氬氣環(huán)境下的熱脫脂方案。研究表明，粘合劑的熱降解主要發(fā)生在260°C至400°C之間，其中380°C是重量變化最快的溫度點。為了驗證熱脫脂的效果，團隊系統(tǒng)研究了不同厚度樣品在熱脫脂過程中可能出現(xiàn)的鼓泡和開裂現(xiàn)象。結(jié)果表明，當(dāng)壁厚小于0.45毫米時，可以有效避免這些缺陷，而隨著壁厚增加，內(nèi)部氣體壓力升高會導(dǎo)致結(jié)構(gòu)變形或開裂。這為后續(xù)工藝參數(shù)的選擇提供了重要的指導(dǎo)。

在成功完成熱脫脂后，團隊對棕色零件進行了燒結(jié)處理。燒結(jié)過程分為兩個階段：首先將溫度升至600°C以去除剩余的骨架粘合劑，然后升溫至1380°C并保持180分鐘，以促進顆粒之間的燒結(jié)頸形成，從而獲得高密度的金屬零件。通過對燒結(jié)后材料的微觀結(jié)構(gòu)進行表征，發(fā)現(xiàn)燒結(jié)過程中孔隙逐漸閉合并球化，最終形成了由奧氏體晶粒組成的致密結(jié)構(gòu)，且晶粒內(nèi)部存在退火孿晶。這種微觀結(jié)構(gòu)特征表明，通過熱脫脂和燒結(jié)工藝成功制備出了高性能的316L不銹鋼。

最后團隊對燒結(jié)后材料的力學(xué)性能進行了全面測試。通過硬度測試和拉伸試驗，證明了該方法制備的316L不銹鋼具有約144 HV的硬度、189 MPa的屈服強度和407 MPa的極限抗拉強度，這些性能與傳統(tǒng)金屬FDM工藝結(jié)合化學(xué)脫脂劑制備的材料相當(dāng)。此外，團隊還通過準(zhǔn)靜態(tài)壓縮實驗評估了薄壁金屬結(jié)構(gòu)的能量吸收能力，結(jié)果表明其能量吸收性能優(yōu)于激光粉末床熔融（LPBF）技術(shù)制備的類似結(jié)構(gòu)。這一研究不僅展示了無化學(xué)脫脂劑金屬FDM技術(shù)的可行性，還為復(fù)雜薄壁金屬結(jié)構(gòu)在能量吸收領(lǐng)域的應(yīng)用提供了新的制造策略。

澤攸科技ZEM系列臺式掃描電鏡是一款集成度高、便攜性強且經(jīng)濟實用的科研設(shè)備。它具備快速抽真空、高成像速度、多樣的信號探測器選擇，適用于形貌觀測和成分分析，還能適配多種原位實驗需求。該設(shè)備對安裝環(huán)境要求低，不挑樓層，操作簡單，非專業(yè)人士也能快速上手，且購買及維護成本均低于落地式掃描電鏡，現(xiàn)已成為許多高校、研究所和企業(yè)的優(yōu)先選擇的設(shè)備之一。