导读:在粘结剂喷射增材制造工艺中，通过在粘结剂中加入合金元素，可以实现钢的原位合金化。然而，使用带有纳米颗粒悬浮液的粘合剂往往会带来颗粒分散均匀性和喷嘴堵塞的挑战。为了克服这些限制，本文研究了使用基于聚糠醇(PFA)的无颗粒粘结剂用于粘结剂喷射3D打印钢材的可行性。PFA粘结剂具有双重用途- (i)为打印时的绿色部分提供结构完整性;(ii)在热解时提供碳，使打印的铁部件合金化成钢。首先将PFA粘结剂逐层分配到低合金钢粉末床中，生产出储存模量为3360 MPa，抗压强度高达9 MPa的绿色零件。然后对未加工的部分进行脱脂和烧结，以巩固钢粉颗粒。在真空烧结过程中，PFA被热解并留下碳渣扩散到钢件中，形成坚硬强的铁素体碳化物团聚相，显著提高了烧结钢件的硬度、屈服强度和极限抗拉强度。此外，通过在不同位置改变这种无颗粒粘合剂配方的量，还可以通过硬度测试和数字图像相关验证具有特定位置微观结构和力学响应的组件。

在钢铁制造中部署增材制造(AM)技术的优势包括更快的周转时间、更大的设计灵活性和更少的材料浪费。常用的一些技术有直接金属激光烧结(DMLS)、电子束熔化(EBM)、激光工程净成形(LENS)、电弧增材制造(WAAM)和粘结剂喷射(BJ)。DMLS和EBM是粉末床融合技术，涉及在整个工作区域沉积一层粉末。DED技术通常需要高通量，而粉末床融合更适合高分辨率打印。然而，这两种技术的主要缺点是材料兼容性有限- DED技术仅与可焊接材料兼容，而适合粉末床熔合的材料范围由激光波长决定。

为了克服限制，南洋理工大学Lai Changquan团队研究了使用聚糠醇(PFA)作为双用途无固体粘合剂的可行性。

PFA已经广泛应用于砂造型和陶瓷复合材料的生产，这表明它具有必要的粘合性能和刚性，可以很好地作为粘合剂。在高温下，PFA分解后留下碳渣，它可能作为钢的合金材料，实现第二个功能。PFA也是一种来源于水解生物质废弃物的可再生材料，因此可以作为酚醛粘合剂的可持续替代品。在这里，选择将PFA溶解在挥发性有机溶剂中进行分配。纳米颗粒的缺失大大减少了喷嘴堵塞的机会，而油墨的高挥发性允许快速干燥，这可以缩短打印时间并减少出血，即使在同一位置进行多次油墨沉积也是如此。

在本研究中，无颗粒PFA墨水的性能将与HP专有的炭黑纳米颗粒墨水进行比较。打印的零件将受到微观结构表征和准静态和动态力学测试来研究不同油墨的结合强度、刚性和合金化效果。此外，还制造了一个具有特定场地性能的部件，通过粘合剂体积的差异分配来展示钢中碳浓度的空间控制，这是只有粘合剂喷射增材制造才能实现的关键进步。

相关研究成果以“Adhesive and alloying properties of dual purpose polyfurfuryl alcohol binder for binder jet additive manufacturing of steel ”发表在Additive Manufacturing上

链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S2214860424002586?via%3Dihub

表1低合金钢粉末粒度分布及成分。

图1(a)不同粘结剂印刷绿色部分的抗压强度。

(b) HP-CBA、BA和PFA-3打印绿色部分的存储模量。

图1a显示了这些立方体绿色部件的抗压强度。与对照相比，PFA-1和PFA-2的强度分别为0.29 MPa和6.46 MPa，而PFA-3绿色部分的强度为9.3 MPa，比BA高64%，比CBA高18%，尽管这两个绿色部分的粘合剂浓度大致相似。这一结果表明，固化后的PFA粘结剂的结合强度略优于HP油墨中的专有聚合物。

图2(a)纯PFA和(b) PFA粘结剂的TGA曲线。

表2打印样品碳浓度。

图3图表显示了各种绿色部件的抗压强度与碳浓度的关系。趋势线是针对PFA样本的。

不同粘结剂的主要(即粘结)和次要(即合金化)功能可在图3中进行评估，图3显示了不同粘结剂可实现的绿色部件的抗压强度和钢中的碳负荷。可以观察到，PFA-3样品具有最高的绿色抗压强度(9.3 MPa)和碳掺入钢样品(0.45 wt %)。这些数值优于CBA粘结剂样品，在相同碳浓度下，CBA粘结剂样品的抗压强度仅为7.9 MPa。之所以会出现这种结果，是因为在CBA中，固体碳纳米颗粒有利于与钢粉合金化，而不利于结合。

图4不同碳浓度下的低合金钢显微组织的光学显微镜图像:

(a) PFA-1 (0.12 wt %)， (c) PFA-2 (0.25 wt %)， (e) PFA- 3 (0.45 wt %)，

(g) BA (0 wt %)和(i) CBA (0.49 wt %)。1500倍放大时的SEM图像:(b) PFA-1 (0.12 wt %)，

(d) PFA-2 (0.25 wt %)， (f) PFA-3 (0.45 wt %)， (h) BA (0 wt %)和(j) CBA (0.49 wt %)。

表3烧结试样的力学性能。

图5不同粘结剂印刷样品的力学性能:

(a)不同粘结剂印刷样品的应力-应变曲线。(b) YS (c) UTS (d)伸长率(e)韧性。

图6用不同碳浓度的PFA粘结剂印刷烧结试样的维氏硬度值。

图7(a)等应力试样俯视图示意图。灰色表示低碳区域(0.12 wt %)，黑色表示富碳区域(0.25% wt %)。

(b)等应力试样的截面示意图。红色虚线表示进行硬度测试的那条线。

(c)带尺寸的等应力试样的等距视图。(d)等应力试样横截面上的维氏硬度图。 

图8(a)显示拉伸试验时拉力方向的等应力拉伸杆及其显示等应力条纹的示意图。

(b)拉伸杆在270 s和350 s拉伸时的DIC图像。

(c)相同设计的两个特定地点样品的应力-应变曲线。

本研究使用基于聚糠醇(PFA)的无颗粒粘结剂用于粘结剂喷射3D打印钢材的可行性，形成坚硬强的铁素体碳化物团聚相，显著提高了烧结钢件的硬度、屈服强度和极限抗拉强度。主要成果如下：

(1)无颗粒PFA墨水的性能将与HP专有的炭黑纳米颗粒墨水进行比较。研究不同油墨的结合强度、刚度和合金化效果。

(2)FCA的形成量以及最终打印强度的提高可以通过沉积在粉末床中的粘合剂的量来控制。

(3)在高温真空烧结过程中，PFA热解成碳渣，碳渣扩散到钢件中，形成坚硬而脆的铁素体碳化物团聚体(FCA)相。