金属熔丝成型17-4PH制品尺寸收缩理论与实验研究

doi:10.12068/j.issn.1005-3026.2025.20240013

摘要/Abstract

摘要：

金属熔丝成型（metal fused filament fabrication, MFFF）样件尺寸在脱脂/烧结过程中会明显收缩，影响成型精度和实际应用.为明确收缩机理以提出有效的解决措施，首先建立了烧结样件尺寸收缩率的理论模型，完成尺寸变化过程的理论解析；然后，成型17-4PH不锈钢烧结样件并使用扫描电子显微镜确定其截面的微观结构；对比分析理论与实验结果，验证模型的正确性；最后，分析模型的敏感性，讨论了烧结升温速率、最高温度保持时间、生坯样件表观密度对MFFF样件尺寸收缩率的影响规律.结果表明，样件的尺寸收缩率呈各向异性特点（竖直方向略大于水平方向）；生坯样件表观密度对烧结样件尺寸收缩率的影响最为显著，其次是烧结升温速率和最高温度保持时间.

关键词: 金属熔丝成型, 尺寸收缩率, 17-4PH不锈钢, 理论解析, 实验研究

Abstract:

The dimensional shrinkage of the green sample treated by metal fused filament fabrication （MFFF） occurs during debinding/sintering process， affecting the forming accuracy and practical application. In order to clarify the shrinkage mechanism and put forward effective solutions， a theoretical model of the dimensional shrinkage rate of sintered samples was first established， and the dimensional changing process was theoretically analyzed. Then， a sintered sample of 17-4PH stainless steel was formed， and the microstructure of its cross-section was determined using scanning electron microscope （SEM）. Through the comparison between the theoretical and experimental results， the correctness of the proposed model was verified. Finally， the sensitivity of the model was analyzed， and the influence of the sintering temperature rise rate， maximum temperature holding time， and apparent density of the green sample on the dimensional shrinkage rate of MFFF samples was discussed. The results show that the dimensional shrinkage rate of the samples is anisotropic （the one in the vertical direction is slightly larger than that in the horizontal direction）. The apparent density of the green sample has the most significant effect on the dimensional shrinkage rate of the sintered samples， followed by the sintering temperature rise rate and maximum temperature holding time.

Key words: metal fused filament fabrication（MFFF）, dimensional shrinkage rate, 17-4PH stainless steel, theoretical analysis, experimental research

中图分类号:

TH 164

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图/表 16

图1 样件脱脂/烧结过程示意图

Fig.1 Schematic diagram of sample debinding/ sintering process

表1 BASF 17-4PH化学成分（质量分数） (（mass fraction） %)

Table 1 Chemical composition of BASF 17-4PH

C	O	Cr	Fe	Ni	Cu
31.39	7.48	11.41	45.47	2.28	1.97

图2 样件示意图

Fig.2 Schematic diagram of sample

表2 主要过程参数设置

Table 2 Main process parameters setting

参数	数值
喷嘴直径/mm	0.4
挤出宽度/mm	0.48
喷嘴温度/℃	240
成型速度/(mm∙s^-1)	15
层高/mm	0.12
重叠/%	15
填充率/%	100
床温/℃	90

表3 催化脱脂参数设置

Table 3 Catalytic debinding parameters setting

过程	腔体温度	进酸温度	尾气温度	用气流量	风扇转速	进酸量	时间
过程	℃	℃	℃	cm³·min^-1	r∙min^-1	mL∙min^-1	min
加热	105	150	145	3 000	1 000	0	45
前冲洗	105	150	145	3 000	1 000	0	30
脱脂	105	150	145	3 000	1 000	0.5	600
后冲洗	120	150	145	3 000	1 000	0	90

表4 热脱脂和烧结参数设置 (setting)

Table 4 Thermal debinding and sintering parameters

编号	温度	时间	工艺类型	进气量	气体
编号	℃	min	工艺类型	cm³·min^-1	气体
1	600	300	负压脱脂	2 000	Ar
2	600	60	负压脱脂	2 000	Ar
3	1 100	200	真空内烧	0	Ar
4	1 100	60	真空内烧	0	Ar
5	1 300	120	分压烧结	2 500	Ar
6	80	300	冷却	500	Ar

图3 x，y方向尺寸收缩率的理论结果

Fig.3 Theoretical results of dimensional shrinkage rate in x,y directions

表5 x,y方向尺寸收缩率的理论和实验结果

Table 5 Theoretical and experimental results of dimensional shrinkage rate in x， y directions

样件	生坯样件尺寸/mm		烧结样件尺寸/mm		实验收缩率/%		理论收缩率/%	误差/%
样件	x 方向	y 方向	x 方向	y 方向	x 方向	y 方向	理论收缩率/%	x 方向	y 方向
S1-i	15.02	15.12	12.52	12.37	16.64	18.19	17.25	3.51	5.44
S2-i	15.03	15.05	12.62	12.31	16.03	18.21		7.05	5.54
S3-i	15.08	15.07	12.54	12.44	16.84	17.45		2.36	1.17
S4-i	15.03	15.13	12.56	12.32	16.43	18.57		4.73	7.67
S5-i	15.04	15.08	12.7	12.36	15.56	18.04		9.81	4.56

图4 z方向尺寸收缩率的理论结果

Fig.4 Theoretical results of dimensional shrinkage rate in z direction

表6 z方向尺寸收缩率的理论和实验结果

Table 6 Theoretical and experimental results of dimensional shrinkage rate in z direction

样件 (i=5)	生坯样件 $z$ 方向尺寸/mm	烧结样件 $z$ 方向尺寸/mm	实验收缩率/%	理论收缩率/%	误差/%
S1-i	4.06	3.25	19.95	18.28	9.14
S2-i	4.12	3.28	20.39		11.53
S3-i	4.05	3.23	20.25		10.76
S4-i	4.11	3.31	19.46		6.48
S5-i	4.09	3.29	19.56		7.00

表6 z方向尺寸收缩率的理论和实验结果

Table 6 Theoretical and experimental results of dimensional shrinkage rate in z direction

样件 (i=5)	生坯样件 $z$ 方向尺寸/mm	烧结样件 $z$ 方向尺寸/mm	实验收缩率/%	理论收缩率/%	误差/%
S1-i	4.06	3.25	19.95	18.28	9.14
S2-i	4.12	3.28	20.39		11.53
S3-i	4.05	3.23	20.25		10.76
S4-i	4.11	3.31	19.46		6.48
S5-i	4.09	3.29	19.56		7.00

图5 MFFF样件外观、截面及显微结构（a）—生坯样件外观；（b）—烧结样件外观；（c）—生坯样件截面；（d）—烧结样件截面；（e）—生坯样件显微结构；（f）—烧结样件显微结构.

Fig.5 Appearance, cross-section, and microstrucure of MFFF samples

表7 敏感性测试参数设置

Table 7 Sensitivity test parameters setting

参数	最小值X₁	默认值	最大值X₂
烧结升温速率/（℃∙min^-1）	1	2	4
最高温度保持时间/h	1	2	3
生坯样件表观密度/（g∙cm^-3）	2.9	3.9	4.9

图6 不同烧结升温速率对尺寸收缩率的影响

Fig.6 Effect of different sintering temperature rise rates on dimensional shrinkage rate

图7 不同最高温度保持时间对尺寸收缩率的影响

Fig.7 Effect of different maximum temperature holding time on dimensional shrinkage rate

图8 生坯样件表观密度对尺寸收缩率的影响

Fig.8 Effect of apparent density of green sample on dimensional shrinkage rate

表8 模型对不同参数的敏感性

Table 8 Sensitivity of model to different parameters

方向	参数	参数最小值 $X 1$	$Y 1$ /%	参数最大值 $X 2$	$Y 2$ /%	相对变化率 $Y 2 - Y 1 Y 1 / X 2 - X 1 X 1$ /%
x,y	烧结升温速率/（℃∙min^-1）	1	27.69	4	11.53	19.45
	最高温度保持时间/h	1	15.29	3	19.08	12.39
	生坯样件表观密度/（g∙cm^-3）	2.9	19.51	4.9	14.86	35.75
z	烧结升温速率/（℃∙min^-1）	1	29.24	4	12.19	19.44
	最高温度保持时间/h	1	16.15	3	20.15	12.38
	生坯样件表观密度/（g∙cm^-3）	2.9	20.76	4.9	15.66	36.85

表8 模型对不同参数的敏感性

Table 8 Sensitivity of model to different parameters

方向	参数	参数最小值 $X 1$	$Y 1$ /%	参数最大值 $X 2$	$Y 2$ /%	相对变化率 $Y 2 - Y 1 Y 1 / X 2 - X 1 X 1$ /%
x,y	烧结升温速率/（℃∙min^-1）	1	27.69	4	11.53	19.45
	最高温度保持时间/h	1	15.29	3	19.08	12.39
	生坯样件表观密度/（g∙cm^-3）	2.9	19.51	4.9	14.86	35.75
z	烧结升温速率/（℃∙min^-1）	1	29.24	4	12.19	19.44
	最高温度保持时间/h	1	16.15	3	20.15	12.38
	生坯样件表观密度/（g∙cm^-3）	2.9	20.76	4.9	15.66	36.85

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