金属材料挤出成型生坯试件的静力学性能

doi:10.12068/j.issn.1005-3026.2025.20230263

摘要/Abstract

摘要：

针对金属材料挤出成型（metal material extrusion,MME）增材制品静力学性能研究不足的问题，首先制备了3种不同配比的17-4PH不锈钢粉末/聚合物复合丝材；然后利用普通材料挤出成型设备完成了静力学性能实验生坯试件的准备工作，以确定自制丝材的可成型性；最后通过拉伸、压缩及弯曲性能实验，分析其静力学性能并探究不同金属粉末填充率的影响.结果发现：自制的复合丝材能够成型质量稳定的生坯制品；当17-4PH不锈钢粉末填充率由40%提高至50%时，试件的拉伸强度降低约7.8%，压缩强度降低约39.2%，弯曲强度降低约30%.

关键词: 金属材料挤出成型, 17-4PH不锈钢粉末, 聚合物复合丝材, 静力学性能

Abstract:

There is a lack of systematic research on the static mechanical properties of products fabricated via metal material extrusion （MME） additive manufacturing. Three types of 17-4PH stainless steel powder/polymer composite filament were firstly studied. Then， the formability of the filament was verified by forming green compact specimens using ordinary material extrusion manufacturing equipment through the preparation work for static mechanical properties. The tensile， compressive and flexural properties were tested to analyze their static mechanical properties and explore the influence of different metal powder filling content. The results show that the self-made composite filament can produce green compact products of good quality. When the filling content of 17-4PH stainless steel powder increases from 40% to 50%， the tensile strength of the specimens is decreased by about 7.8%， compressive strength is decreased by 39.2% and flexural strength is reduced by about 30%.

Key words: metal material extrusion, 17-4PH stainless steel powder, polymer composite filament, static mechanical property

中图分类号:

TH 164

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图/表 19

图1 17-4PH不锈钢粉末粒度分布

Fig.1 Distribution of 17-4PH stainless steel powder particle size

表1 17-4PH不锈钢粉末颗粒属性 (powder particles)

Table 1 Properties of 17-4PH stainless steel

D₁₀	D₅₀	D₉₀
17.417	30.663	52.869

图2 拉伸试件(单位：mm)

Fig.2 Tensile specimen(unit：mm)

图3 压缩试件(单位：mm)

Fig.3 Compressive specimen(unit：mm)

图4 弯曲试件(单位：mm)

Fig.4 Flexural specimen(unit：mm)

表2 过程参数设置

Table 2 Processing parameter setting

过程参数	设置
填充比例/%	100
填充方式	直线填充
成型速度/(mm·s^-1)	10
平台温度/℃	90
喷嘴直径/mm	0.6
成型温度/℃	240
层厚/mm	0.25

图5 弯曲实验过程

Fig.5 Flexural test process

图6 自制的不同材料配比的复合丝材（a）—收卷状态的复合丝材；（b）—复合丝材的横截面形貌.

Fig.6 Self-made composite filament with different filling contents

图7 拉伸实验后的不同17-4PH不锈钢粉末填充率生坯试件（a）—40%；（b）—45%；（c）—50%.

Fig.7 Green compact specimens with different 17-4PH stainless steel powder filling rates after tensile test

图8 拉伸实验应力-应变曲线

Fig.8 Stress-strain curves of tensile test

表3 不同自制复合丝材成型生坯试件的拉伸实验结果

Table 3 Tensile test results of green compact specimens fabricated from different self-made composite filaments

试件	平均最大拉伸力/N	平均拉伸强度/MPa	平均拉伸模量/MPa	平均断裂应变/%
T₄₀	359.5	9.0	530.3	4.01
T₄₅	351.9	8.8	615.2	3.30
T₅₀	332.8	8.3	751.1	2.16
FFF PLA试件^[19-21]	—	30~70	1 890~3 900	2~5

图9 生坯试件压缩变形过程

Fig.9 Compression and deformation process of green compact specimens

图10 压缩实验后的生坯试件

Fig.10 Green compact specimens after compression test

图11 压缩实验应力-应变曲线

Fig.11 Stress-strain curves of compression test

表4 不同自制复合丝材成型生坯试件的压缩实验结果

Table 4 Compression test results of green compact specimens fabricated from different self-made composite filaments

试件	平均最大压缩力/N	平均压缩强度/MPa	平均压缩模量/MPa
C₄₀	6 853.3	54.1	533.8
C₄₅	5 421.1	42.8	628.7
C₅₀	4 171.6	32.9	725.4

图12 弯曲实验后的生坯试件

Fig.12 Green compact specimens after flexural test

图13 弯曲实验后生坯试件裂纹微观形貌（a）—裂纹正视图；（b）—裂纹俯视图.

Fig.13 Crack microstructure of green compact specimens after flexural test

图14 弯曲实验应力-应变曲线

Fig.14 Stress-strain curves of flexural test

表5 不同自制复合丝材成型生坯试件的弯曲实验结果

Table 5 Flexural test results of green compact specimens fabricated from different self-made composite filaments

试件	最大弯曲力/N	平均弯曲强度/MPa	平均弯曲模量/MPa	平均断裂应变/%
F₄₀	29.4	17.6	1092.6	2.81
F₄₅	24.9	14.9	1366.7	2.00
F₅₀	20.6	12.3	1582.9	1.48

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