真空烧结是将粘合剂喷射打印件从脆弱的形状转变为功能性金属部件的关键步骤。因为打印机产生的“生坯件”仅由临时粘合剂固定在一起，所以其强度低且孔隙率高。必须在真空烧结炉中进行处理，以烧掉粘合剂，使金属原子结合在一起，并在高温过程中保护合金免受氧化。
生坯件仅仅是一个前体；真空炉才是实际发生冶金反应的地方。通过在无氧环境中去除有机粘合剂并促进原子扩散，烧结过程实现了必要的致密化和结构完整性。
生坯状态的脆弱性
生坯件的组成
粘合剂喷射（BJT）通过选择性地将液体粘合剂沉积在金属粉末层上来构建零件。由此产生的物体称为“生坯件”，本质上是由干燥胶水粘合在一起的金属粉末。
强度限制
由于在此阶段没有金属-金属结合，因此零件的机械强度非常低。它可以支撑自身的重量，但无法承受功能性应力。
孔隙率问题
生坯件高度多孔，因为粘合剂占据了金属颗粒之间的空间。要创建实心零件，必须封闭这个空间并去除粘合剂。
转化过程
第一阶段：粘合剂分解
炉子的第一个功能是去除临时支架。随着温度升高，有机粘合剂分解并从零件中蒸发。这会留下准备好结合的清洁金属粉末。
第二阶段：原子扩散
粘合剂去除后，提高温度以启动烧结。这会触发固相或液相扩散，金属原子在颗粒边界之间迁移。
第三阶段：致密化
这种原子运动将颗粒结合在一起。随着颗粒的融合，粘合剂留下的空隙收缩，导致部件初步致密化。
为什么真空环境是不可或缺的
防氧化
烧结需要接近金属熔点的温度。在标准大气中，这些温度会导致金属快速、破坏性的氧化。
保持合金化学成分
真空环境消除了氧气，确保了材料的化学纯度。这对于含有活性元素（如 Inconel 718）的合金尤其重要，因为这些合金在高温下极易氧化。
理解权衡
尺寸收缩
当炉子驱动致密化时，零件体积会显著减小。在 CAD 设计阶段必须考虑这种收缩，以确保最终零件符合公差规范。
残余孔隙率
虽然真空炉实现了初步致密化，但粘合剂喷射零件在单次运行中可能无法达到理论密度的 100%。对于疲劳关键应用，可能需要进一步的后处理（如热等静压）来封闭剩余的内部空隙。
为您的目标做出正确选择
为了确保粘合剂喷射的成功，您必须将打印和烧结视为一个单一的、耦合的过程。
- 如果您的主要关注点是尺寸精度：严格表征您的特定合金在真空炉中的收缩率，以便将准确的补偿因子应用于您的 CAD 模型。
- 如果您的主要关注点是材料完整性：确保您的真空炉能够维持高质量的真空，以防止复杂高温合金中活性元素的消耗或氧化。
真空烧结炉是连接精细粉末预制件和坚固的工业级金属部件的桥梁。
总结表：
| 工艺阶段 | 目的 | 关键结果 |
|---|---|---|
| 粘合剂分解 | 去除有机粘合剂 | 准备好结合的清洁金属粉末 |
| 原子扩散 | 促进金属原子迁移 | 初步颗粒融合和结合 |
| 致密化 | 封闭内部空隙 | 结构完整性和体积减小 |
| 真空环境 | 消除氧气存在 | 防止氧化和保持合金纯度 |
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参考文献
- Vadim Sufiiarov, Danil Erutin. Effect of TiC Particle Size on Processing, Microstructure and Mechanical Properties of an Inconel 718/TiC Composite Material Made by Binder Jetting Additive Manufacturing. DOI: 10.3390/met13071271
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