适用不锈钢的增材制造技术---世界金属导报

PBF工艺的优点包括：1）可以塑造复杂形状部件，这是其他方式无法实现的；2）形成单个部件，替换由多个零件组成的部件；3）可以按照几何形状而不是体积进行设计，以更少的材料和更轻的重量获得结构强度；4）由于零件为近净形状，因此节省了原材料；5）以数据库取代了实物库存；6）零件可以在任何地方生产，尽可能靠近目标地点；7）节省库存和运输成本，减少物流、包装以及相关的能源使用；8）是快速开发原型的理想选择。

PBF工艺的不足之处包括：1）粉末昂贵；2）沉积速率低，造型缓慢；3）在技术系列中没有竞争力；4）尺寸受到了密封室的限制；5）由于各向异性，在Z方向上强度较低；6）残余孔隙率小于0.5%；7）冲击性能和疲劳寿命低于锻制品；8）HIP价格

昂贵，而且交货期长；9）通常需要精加工步骤（刷除粉末、从基座上切下、抛光和/或最后加工）。

不锈钢非常适于PBF工艺，一系列钢种均可提供粉末形式，传统方法无法生产的新型合金，可以由气体雾化技术生产。目前，不锈钢的PBF工艺主要应用于航空航天、医疗、能源等诸多对部件性能要求苛刻的行业领域。

2金属黏结剂喷射（MBJ）

MBJ步骤如下：在成形平台上铺放粉末层之后，通过打印机喷嘴输送黏结剂，金属粉末被凝聚。重复这一过程，直到零件完成，由黏结剂凝聚的金属粉末组成。MBJ工艺制备的零件易碎，须小心搬运。

MBJ成型件的下一个处理步骤是去脱脂，其中大部分黏结剂从零件去除。这可以通过溶剂法、热法或催化法来实现，每种方法都有其优缺点，须小心操作，以避免翘边、起泡或破裂。去除黏结剂后，零部件仍然很脆弱，须小心处理。

热处理后的成型件还要进行烧结。烧结是致密化的过程，在这个过程中，颗粒表面发生扩散，金属零件开始粘结在一起，封闭了黏结剂材料以前所在的空隙。该零件发生15%-20%的线性收缩。烧结工序产生了致密的、不含聚合物的金属成型件，并且还是各向同性的，在所有方向上都显示出相同的性质。

MBJ工艺的优点包括：1）比粉末床熔融工艺塑型速度快50-100倍；2）成本相当于粉末床熔融工艺的二十分之一；3）无各向异性；4）不需要支撑材料；5）良好的分辨率；6）适用于大型复杂零件；7）近净形状。

MBJ工艺的不足之处包括：1）粉末昂贵；2）尺寸受限；3）残余孔隙率（~3%）；4）需要多个处理步骤（打印→去除树脂→烧结）；5）烧结过程中的收缩控制至关重要；6）烧结过程中的变形风险；7）限制壁厚（5-10mm）；8）通常需要进行最终加工。

MBJ工艺适用于不锈钢，但不常用。

3直接能量沉积（DED）

3.1电弧送丝增材制造（WAAM）

WAAM是直接能量沉积工艺的一种，类似于机器人 MIG、TIG或PAW多道焊接。零件是由连续的几个焊道组成的。不过，也有一些重要的不同之处：WAAM工艺更多的参数是在传感器的帮助下由计算机控制，以最大限度地减少孔隙率和夹杂物。编程时，可以将DED沉积头位移设定为遵循预设顺序，从而最大限度地减少翘边并优化力学性能。

WAAM可以同时使用几根丝材，其优点有：1）原料（丝材）价格低；2）沉积速率快；3）无尺寸限制；4）可实现多金属沉积；5）可采用冷作加工提升强度；6）可在相同机器模具上进行最终加工；7）可以通过适当的排序减少翘边。

WAAM的不足之处包括：1）要优化工艺参数，必须进行事前试验；2）无法实现精细化处理；3）需要精加工步骤；4）不适用于大尺寸系列。

不锈钢适用于WAAM工艺，因为不锈钢易于沉积，焊丝钢种易得，WAAM成型件的后续热处理和精加工与多焊道焊接相似，非常适合修复。

3.2激光金属沉积（LMD）

LMD使用机器人手臂来移动沉积头，就像WAAM工艺一样，但原料是粉末，被聚焦的激光束熔化。同时使用了保护性气体，通常是氩气。LMD比PBF生产率更高，也能够生产尺寸更大的零件，但设计自由度更有限，例如，无法实现晶格结构和内部通道。

LMD较WAAM具有更细微的分辨率，通过粉末进料可以实现更多的合金化。但LMD与WAAM相比，粉末成本比丝材更贵，沉积速率更慢。此外，LMD比WAAM工艺成本更高一些。

不锈钢适用于LMD工艺，成型件易于修复、堆叠和连接。

4结论

增材制造将在运营效率和成本方面产生“范式转变”，这归功于：1）全新的优化设计；2）极大地缩短了部件交货期；3）支持更小、更简单的供应链库存；4）成型件尺寸不限。

进一步的技术开发将提高增材制造塑型能力，例如开发新钢种粉末、DED连续沉积不同的金属、通过更强大的热源提高生产率等。

在标准化方面，由ASTM F42和ISO/TC 261委员会执行的标准开发仍处于早期阶段，因此需要客户和增材制造企业之间保持良好的联系。

总之，不锈钢具有良好的耐腐蚀性，凭借其广泛应用的性能，一直被用作增材制造的首选金属材料。（罗晔）