壳层打印对粘结剂喷射成型316L不锈钢烧结致密化、微观结构及力学性能的积极影响

本研究针对粘结剂喷射成型(BJ)技术制备的316L不锈钢存在烧结残余孔隙导致性能下降的问题，创新性地采用壳层打印工艺。研究发现该工艺可将90°成型样品的烧结密度从7.83 g/cm3 提升至7.91 g/cm3 ，孔隙率从0.68%降至0.20%，并显著提升冲击韧性43%。该研究为优化金属增材制造工艺提供了重要理论依据。

　　

在金属增材制造领域，粘结剂喷射成型(Binder Jetting, BJ)因其可批量生产复杂几何构件而备受关注，但烧结后的残余孔隙问题始终制约着材料性能。316L不锈钢作为典型BJ材料，其孔隙导致的力学性能损失尤为突出。传统工艺中，粉末铺展和粘结剂渗透不均会产生难以消除的孔隙，而现有研究对壳层打印(Shell Printing)这一创新工艺在微观结构调控和冲击韧性提升方面的机制尚未阐明。

台湾省某研究团队在《Materials Research Bulletin》发表的研究，系统考察了壳层打印对BJ 316L烧结行为的影响。研究采用气体雾化316L粉末(D₅₀
=10.2μm)，通过对比常规打印(N系列)与壳层打印(S系列)样品，结合烧结密度测试、电子背散射衍射(EBSD)和力学性能检测等手段，揭示了工艺-结构-性能的关联规律。

Sintered density and pore feature
研究发现成型方向(0°XY/45°/90°YZ)对烧结密度无显著影响。但壳层打印使90°样品密度提升至7.91 g/cm³
，孔隙率降低至0.20%，证实该工艺能有效消除层间孔隙。

The influences of shell printing on densification and microstructure
EBSD分析显示壳层打印促使δ-铁素体含量从0.6%增至3.0%，晶粒尺寸从55.8μm扩大至58.4μm。这种微观结构演变源于壳层区域更均匀的烧结热场。

力学性能
虽然抗拉强度(524-563 MPa)和延伸率(78-87%)未显著提升，但冲击能量因孔隙敏感特性而提高43%，突破性解决了BJ材料韧性不足的瓶颈问题。

Conclusions
该研究证实壳层打印通过优化烧结动力学过程，在保持优异拉伸性能的同时大幅提升冲击韧性。这种工艺创新为航空航天等领域高要求部件的BJ制备提供了新思路，特别是解决了各向异性收缩和孔隙控制的行业难题。研究团队特别指出，采用10.2μm细粉配合100μm薄层厚度，可实现烧结密度98%理论值的突破，这项发现对推动BJ技术工业化应用具有里程碑意义。