图 3 BJAM 送粉技术

Fig.3 Powder feeding techniques in BJAM

　　2 影响金属 BJAM 打印件性能的决定因素

　　影响 BJAM 打印金属零件质量的因素可分为材 料和工艺。材料因素包括粉末和粘结剂特性，粉末特 性决定粉末床质量、初坯密度和致密化效果。初坯的 几何形状和强度受到粘结剂的影响。工艺因素可分为：(1)打印参数，主要包括层厚和粘结剂饱和度;(2)后处理参数，包括烧结温度、时间曲线和烧结助剂、浸渗剂等因素，直接影响最重零件的性能。

　　2.1 粉末特性

　　粉末特性主要包括粉末形态、平均尺寸和粒径分布等几何特性，以及粉末流动性、铺展性和堆积密度 等物理特性。其中，粉末形态和尺寸特征影响零件的 机械性能[22]，流动性和堆积密度影响零件的致密化程度。粉末特性见图 4。

图 4 粉末特性

Fig.4 Powder characteristics

表 3 BJAM 材料、设备及性能（部分）

Tab.3 Summary of binder jetting additive manufacturing materials, processing parameters, and characterization (partial)

　　3.1 铁基合金

　　铁和钢被广泛用于航空航天、医疗、汽车和建筑 等领域，也是 BJAM 技术目前应用最多且最成熟的一 类材料。BJAM 打印的初坯致密度较低，但对于某些 特殊情况应用多孔材料。BJAM 打印多孔零件的关键 是孔隙率的调控与定制。Verlee B 等研究了 316L 不锈钢粉末粒径、形状、烧结温度和时间对孔隙率的影 响，结果显示粉末粒度决定了孔径，粉末形状影响粉 末堆积密度进而影响烧结后的孔隙率，烧结温度和时 间决定了最终零件的孔隙特征[71]。Tang Y 等研究了 一种数值方法，计算 BJAM 打印 316L 不锈钢晶格结 构的弹性模量，并通过压缩和 3 点弯曲实验得到了验 证[72]。Williams C B 等将氧化铁、氧化镍、氧化钴和 钼粉混合，利用 BJAM 打印了金属蜂窝结构，通过在 氢气气氛下还原烧结得到马氏体时效不锈钢[73]。

　　获得高致密度金属零件是 BJAM 技术的重要研 究方向。常用办法是渗入另一种低熔点金属，也有一 些其他方法如喷射纳米粒子或添加烧结助剂等。Do T 等利用 BJAM 打印了 3 种不同的硼基烧结添加剂(纯 B、BC、BN)与 420 不锈钢双峰粉末混合，降低了 BJAM 打印件的烧结温度，在 1 250℃下烧结获得了 高致密度(99.6%)[56]。Sun L 等将氮化硅作为烧结 助剂，BJAM 打印了平均粒径 35 μm 的 420 不锈钢粉 末和平均粒径 2 μm 的氮化硅颗粒混合材料，优化后 的氮化硅含量为 12.5 wt%，1 225℃下烧结 6 h 致密度 达 95%，弹性模量接近 200 GPa[74]。

　　Kumar P 等研究了采用 BJAM 和选择性激光熔化 (SLM)技术制备 316L 不锈钢的微观结构和机械性 能，并且与传统制造的 CM 合金进行了比较，见图 9。图 9 显示了 BJAM 和 SLM 样品的微观组织和拉伸疲 劳曲线，发现 BJAM 样品孔隙率较高，达到 3.73%~5.64%，并且为等轴晶粒结构，晶界存在 δ-铁素体相;而 SLM 样品孔隙较少，微观结构存在各向异性。使 用 SLM、CM 和 BJAM 技术制造的 316L 试样的性能 数据，见表 4，SLM 试样的抗拉强度远大于 CM 和 BJAM，其高强度是以牺牲延伸率为代价的，低至 12% (S 方向);BJAM 样品的延伸率并不低于 CM 样品， 说明孔隙的存在并不会对延伸率造成不利影响。此 外，BJAM样品的疲劳强度达到 250 MPa，远高于 SLM 样品，这是由于 BJAM 样品塑性变形第 1 阶段的平面 滑移机制与大角度晶界、δ-铁素体相和退火孪晶相结 合使循环加载期间裂纹难以增长到所需长度[75]。

图 9 BJAM 样品和 SLM 样品的微观结构和性能 

Fig.9 Microstructure and properties of BJAM and SLM sample

表 4 BJAM、SLM 和 CM 样品性能数据 

Tab.4 Performance data of the BJAM、SLM and CM speciments

　　3.2 镍基合金

　　镍基合金由于具有高温组织稳定性、优异的高温 力学性能及耐腐蚀性被广泛应用于航空航天和化工 等特殊领域。BJAM 打印高温合金的首要问题也是致 密化。Turker M 等研究了不同层厚和烧结温度对 BJAM 打印 Ni 718 合金致密化的影响，发现在 1 260℃ 下烧结时层厚从 100 μm 增加到 200 μm 时相对密度从 92%降低到 88%，而将烧结温度提高到 1 280℃和 1 300℃时相对密度达到 99%，指出层厚对最终致密 度的影响小于烧结温度的影响[42]。Nandwana P 等基 于粉末固态烧结动力学(SSS)和超固相液相烧结 (SLPS)机理和经验模型，发现 SLPS 在合理时间段 可以实现 BJAM 打印 Ni 718 合金的完全致密化[62]。

　　Mostafaei A 等对 BJAM 打印 Ni 625 合金的烧结 工艺、微观组织及打印复杂结构进行了系列研究，发 现在 1 280℃温度下烧结 4 h 是最佳的烧结条件，致 密度达 99.6%，抗拉强度达 612 MPa，与铸造 625 合 金性能相当[76]。对上述最佳烧结件进行固溶和时效热 处理，获得固溶和时效处理后样品的微观组织和力学 性能，见图 10。通过显微组织和 XRD 结果分析发现 烧结和时效处理会形成碳化物、TCP 相和氧化铬，在 1 150℃固溶处理 2 h后延伸率由 40.9%提高到 45.1%， 在 745℃时效处理 60 h 后抗拉强度提高到 697 MPa[40]。还对比了气雾化(D50 30.8 μm)和水雾化粉末(D50 32.5 μm)Ni 625 合金的 BJAM 打印实验，结果发现气雾化粉末打印件烧结后的致密度达到 99.2%，抗拉 强度和延伸率分别为 644 MPa 和 47%，经 745℃时效 处理 20 h 后抗拉强度提高至 718 MPa，延伸率降低到 29%[23]。在上述工艺和性能研究基础上，Mostafaei A 等利用 BJAM打印了 Ni 625合金义齿[77]，认为与 SLM 相比 BJAM 在定制孔隙率方面更有优势，并且复杂结构特别是悬垂结构无需支撑。

图 10 固溶和时效处理后样品的微观组织和力学性能

Fig.10 Microstructure and mechanical properties of samples treated with solution and aging

　　3.3 钛合金

　　钛及其合金具有低密度、高比强度和优异的耐腐 蚀、生物相容等性能，是航空航天、海洋工程和生物医疗等领域重要零件的成型材料，因此 BJAM 打印钛合金也越来越受到重视。

　　Xiong Y 等采用 200 目(<74 μm)钛粉和 120 目 (<125 μm)PVA 粉末混合材料，利用 BJAM 打印样 了纯钛骨植入物，刚度和抗压强度与人体骨骼相似， 分别为 2~30 GPa 和 130~180 MPa[78]。Sheydaeian E 等将 97 wt%的纯钛粉(75~90 μm)和 3 wt%的 PVA (<63 μm)混合，研究 BJAM 层厚对打印性能的影 响，发现孔隙率和收缩率随层厚增加而增加，但机械 性能未有显著变化，杨氏模量为 2.9 GPa，屈服强度 为 175 MPa[64]。与材料挤出相结合的 BJAM 技术见 图 11。他们还将 BJAM 技术与材料挤出相结合，见 图 11a，选择性地将聚合物加入结构中并通过后续处 理消除聚合物形成闭孔，见图 11a—d，打印了高精 度闭孔形态的钛蜂窝结构，图 11b[79]。另外，他们 在上述基础上将硼化钛选择性地挤出作为增强体， 打印了 Ti/TiBw 复合材料，与纯钛相比其刚度增加了 15.2%[80]。

　　除纯钛外已有研究利用 BJAM 打印钛合金。Dilip J J S 等将 Ti-6Al-4V 与铝粉末混合，研究其 BJAM 打 印与反应烧结制造铝化钛(TiAl)的可行性。在高温 液相烧结过程中，铝最初与 Ti-6Al-4V 颗粒表面反应 形成 Al3Ti，接着扩散到 Ti-6Al-4V 中形成 TiAl 化合 物，这种间接生产 TiAl 金属间合金零件方式与直接 使用 TiAl 粉末相比是经济的[81]。Stevevs E 等研究了影响 BJAM 打印 Ti-6Al-4V 零件密度的影响因素，发 现边缘密度仅有 50%，但中心部位达到了 95%。研究 认为造成该密度差异的原因主要是粘结剂液滴在粉 末层毛细迁移行为，而多层叠加效果更为突出[65]。

图11 与材料挤出相结合的 BJAM 技术 

Fig.11 BJAM technology combined with material extrusion

　　3.4 金属 BJAM 打印的主要缺陷及与传统零件性能对比

　　与高能束 AM 技术相比，BJAM 打印金属的致密 度低、烧结收缩与变形及粘结剂残留是其面临的主要 缺陷形式。

　　孔隙：孔的形状、大小、分布及数量是影响 BJAM 打印金属零件性能的重要因素。BJAM 打印零件中孔 隙根据形状分为球形和不规则孔，按位置分布分为层 间孔隙、晶间孔隙和晶内孔隙[82]。BJAM 打印 Ni 625 合金 SEM 烧结温度显微照片见图 12[76]。1 200℃烧结 样品孔隙多且相互连通;当烧结温度提高到 1 240℃， 孔隙逐渐消除并且由相互连通的孔转变为球形的小 孔;烧结温度继续提高到 1 280℃，孔隙继续减小， 并分布在晶界和晶粒内部;当温度超过 1 280℃，发 现孔隙主要分布在晶粒内部，并且存在明显的孔粗化 和晶粒长大现象。1 280℃的烧结温度是最佳的烧结 条件，孔隙为较小的球形孔，致密度达 99.6%，硬度 和抗拉强度分别为 238 HV 和 612 MPa，具有与传统 工艺相当的力学性能。

图12 BJAM 打印 Ni 625 合金 SEM 烧结温度显微照片 

Fig.12 SEM morphology of Ni 625 alloy manufactured

　　烧结收缩和变形：BJAM 打印的初坯致密度一般仅有 60%，后期烧结至全致密体积收缩将达 40%甚至 更多[23]。由于应力和零件结构的非均匀分布，烧结收 缩还可能导致不规则变形。研究表明，高度方向上烧 结收缩率更大，除了打印工艺影响外还可能与烧结中 材料重力有关[61]。Schmutzler C 等发现 BJAM 打印聚合物初坯在烧结中不同部位的收缩不均匀，最终导致 零件发生翘曲变形[83-84]。此外，Stevens E 等发现 BJAM 打印件的不同位置致密度变化较大，进而收缩 不一致引起变形[65]，见图 13。对于简单零件其烧结 收缩可通过经验预测并提前预留补偿量，对于复杂零 件则可以通过数值模拟预测变形[83]。

图 13 BJAM 制造初坯的烧结零件 

Fig.13 Sintered part from the green part fabricated by using BJAM

　　粘结剂残留：粘结剂残留物会改变打印件的材料 成分甚至与打印材料发生反应。目前使用最多的是聚 合物粘结剂，经过脱脂处理后可能会有少量氧和碳的 残留物。Salehi M 等采用质量分数分别为 40%的聚乙 烯和 60%的棕榈硬质作为注塑成型钛合金的粘结剂， 脱脂步骤中选择溶剂脱脂和热脱脂以完全去除粘结剂，结果发现烧结件中形成了碳化钛，进而降低了拉 伸强度(541.53 MPa)和伸长率(0.9%)[55]。

　　上述缺陷导致 BJAM 打印的金属零件其性能一 般低于高能束 AM 的金属零件。高能束 AM 的金属零 件性能可达到锻件水平，而 BJAM 打印的金属零件与 铸件和粉末烧结件相当。与铸造相比[85]，BJAM 打印 典型金属的致密度、屈服强度、抗拉强度和延伸率指 标见表 5。由表可知，大部分材料(如 17-4PH、316L、 420 不锈钢)的性能与传统工艺相当甚至略优;BJAM 打印的高温合金性能明显低于传统工艺水平，但配合 热处理可得到进一步提升。如经时效处理后，BJAM 打印的 Ni 625 合金其抗拉强度由 644 MPa 提高到 718 MPa[40]。

表 5 BJAM 打印典型金属的致密度、屈服强度、抗拉强度和延伸率指标 

 Tab.5 BJAM prints density, yield strength, tensile strength and elongation indicators for typical metals

　　注：括号里的数据为铸造工艺样品数据，与粘结剂喷射技术进行对比

　　4 金属 BJAM 技术面临的主要问题及展望

　　近年来，金属 BJAM 技术受到越来越多的关注， 商品化 BJAM 打印机不断推出，成功应用被不断报 道。然而，金属 BJAM 技术目前还存在不足，后续需 要继续优化，按 BJAM 工艺环节归纳，见图 14[56]。

图 14 粘结剂喷射问题及展望

Fig.14 Problems and prospect of BJAM

　　4.1 优化铺展提高表面均匀性和致密度

　　BJAM 过程中粉末铺展至关重要，直接影响粉末 床密度，进而影响初坯和最终零件的致密度。粉末特 性和铺展条件对粉末流动行为的影响规律尚不明 晰;与高能束熔化相比 BJAM 仅是粘结粉末，成型区 域的粉末高度并没有发生下降，在后续铺粉时会碰擦 已粘结层，导致粉末铺展不平甚至是引起已成型层发 生移位。为此，一方面需要从理论和方法上理解和预 测 BJAM 中的粉末铺展行为，另一方面需要开发出适 合 BJAM 工艺的铺粉机构。

　　4.2 粘结剂和粉末的相互作用需深入研究

　　粘结剂和粉末颗粒之间的相互作用会显著影响 初坯的几何形状、强度及最终零件的质量。粘结剂— 粉末相互作用机理尚不清晰，需厘清粘结剂沉积和迁 移行为对粉末床质量的影响，开发出作用过程的预测模型。

　　4.3 粘结剂体系需丰富和完善

　　目前用于金属 BJAM 技术的成熟粘结剂相对较 少，还存在易堵塞、强度低、难脱除等突出问题，并且大多数粘结剂并不能适用于多种粉末打印。另外， 现有粘结剂大多是有机物，脱脂后的残留物对打印零 件的性能造成了明显的不利影响。因此，开发适合多 类型金属打印的抗堵塞、强度高、易脱除甚至是无需 脱除的新型粘结剂对推动金属 BJAM 技术的进步与 应用至关重要。

　　4.4 复杂零件烧结收缩预测与补偿

　　目前的模型预测仅限于简单的几何形状(如立方 体和圆柱)，需研究 BJAM 打印复杂零件收缩规律及 调控工艺，弄清 BJAM 打印典型材料的烧结变形机 制及抑制方法，使 BJAM 打印复杂金属零件的精度可控。

　　4.5 过程一体化

　　目前 BJAM 打印环节多，包括打印、固化、除粉、脱脂、烧结或渗透等后处理，操作繁琐且质量难控。为此，需研究打印与固化一体化工艺与装备，甚至是实现打印、脱脂和烧结的同机化和智能化，简化操作 流程，降低工艺门槛。

　　5 结语

　　近年来金属 BJAM 技术因其高效率和低成本优 势受到极大关注。现有金属 BJAM 设备最大成型体积 达 800 mm×500 mm×400 mm，打印速度达 12 000 cm3 /h， 已在医疗、电子、装饰和工业等领域获得应用。影响 金属 BJAM 技术打印质量的主要因素包括粉末特性、 粘结剂特性、打印参数和后处理工艺参数等。目前BJAM 打印的金属材料包括不锈钢、镍基高温合金、 钛合金、铜等，其中打印的 Ni 625 合金致密度可达 99.2%，强度达 718 MPa。金属 BJAM 面临的主要问 题包括致密度低、粘结剂残留和收缩变形严重等，因 此改善铺粉质量、开发新型粘结剂、模拟预测烧结收 缩和过程一体化等是金属 BJAM 技术未来发展的重点方向。

　　本文节选自“包装工程”