选择性激光烧结GB_GF_...1212的力学与摩擦学性能_吴婷.pdf

第 27 卷第 6 期 粉末冶金材料科学与工程 2022 年 12 月 Vol.27 No.6 Materials Science and Engineering of Powder Metallurgy Dec.2022 DOI:10.19976/ki.43-1448/TF.2022032 选择性激光烧结 GB/GF/PA1212 的力学与摩擦学性能 吴婷1，吴宏1，文杰斌1,2 (1.中南大学 粉末冶金国家重点实验室，长沙 410083；2.湖南华曙高科技有限公司 高分子事业部，长沙 410221)摘 要：以玻璃微珠(glass beads,GB)和玻璃纤维(glass fiber,GF)为增强填料，与聚酰胺(Polyamide,PA)1212 粉末机械混合，采用选择性激光烧结(selective laser sintering,SLS)技术制备 GB/GF/PA1212 复合材料。用万能力学实验机和摩擦磨损实验机测试和分析 GB/GF/PA1212 复合材料的力学性能和摩擦磨损行为，研究 GB 含量对材料性能的影响。结果表明，添加适量 GB 填料可提高复合材料的拉伸性能和耐磨性能，尤其是能显著改善耐磨性能。其中，GB和GF质量分数分别为40%和10%时，复合材料的摩擦因数和磨损率最低，分别为0.23和1.1103 mm3/(Nm)。关键词：玻璃微珠；PA1212；选择性激光烧结；拉伸性能；摩擦磨损行为 中图分类号：TB332 文献标志码：A 文章编号：1673-0224(2022)06-569-10 Mechanical and tribological properties of GB/GF/PA1212 fabricated by selective laser sintering WU Ting1,WU Hong1,WEN Jiebin1,2 (1.State Key Laboratory of Powder Metallurgy,Central South University,Changsha 410083,China;2.Polymer Product Line Group,Farsoon High Technologies Co.,Ltd.,Changsha 410221,China)Abstract:GB/GF/PA1212 composites were prepared by selective laser sintering(SLS)using of a mechanically blended mixture of polyamide(PA)1212,glass fiber(GF)and glass beads(GB),where the GB and GF were acting as reinforcements.The tensile and tribological properties of SLS sintered parts were tested by a universal mechanical testing machine and a friction and wear tester to explore the influence of GB content on the properties of the composites,respectively.The results show that the presence of GB fillers at an appropriate proportion can improve the tensile properties and wear resistance of the composites.Especially,it can significantly improve the wear resistance.When the mass fraction of GB and GF is 40%and 10%respectively,the friction coefficient and wear rate of the composite are the lowest,which are 0.23 and 1.1103 mm3/(Nm)respectively.Keywords:glass bead;PA1212;selective laser sintering;tensile property;friction and wear behavior 选择性激光烧结(selective laser sintering,SLS)是一种基于粉末床熔合的高效、自动化、节能、可持续的增材制造(additive manufacturing,AM)技术13。SLS工艺以激光为热源，通过三维 CAD 模型，以无支撑结构的连续粉末层选择性烧结，直接成形复杂的三维实体零件/组件45。目前市场上多数商用 SLS 设备使用的是 CO2激光器，能以较低的成本提供更高的功 率67。与其他 AM 技术相比，基于粉末的 SLS 技术以广泛的原材料、无支撑成形以及烧结件的优异力学性能而备受关注810。聚酰胺(Polyamide,PA)是一类分子主链上含有酰胺基团(NHCO)的热塑性聚合物，广泛应用于机械零件的工程塑料构件。由于分子链中氢键范德华力的存在，聚酰胺具有强度高、耐磨性好、润滑性能优 基金项目：湖南省重点研发计划资助项目(2022SK2006)收稿日期：20220324；修订日期：20220426 通信作者：吴宏，教授，博士。电话：0731-88836296；E-mail: 粉末冶金材料科学与工程 2022年10月 570良等特点。研究表明，聚酰胺-12(PA12)是最成功用于SLS 的聚合物材料1114。SLS 制备的聚酰胺材料密度大、强度高、力学性能好，但在成形过程中产生翘曲变形，并且成形后收缩率大，因此单一的聚酰胺材料力学性能和摩擦磨损性能可能无法满足实际应用要求。通过添加填料如玻璃纤维(glass fiber,GF)、玻璃微珠(glass beads,GB)、碳纤维(carbon fiber,CF)等以增强聚酰胺材料的性能已被广泛研究1517。采用纤维增强耐磨改性聚酰胺复合材料是一种常用且有效的方法。GLL 等18发现添加 GF 能显著提高 PA6 的力学性能。RAVI等19研究表明添加GF能显著降低PA66的比磨损率和摩擦因数。GF 的质量分数为 10%时，对材料的力学和摩擦磨损性能的增强效果最好，GF含量太少时增强效果不显著，GF 过量又会导致混合粉末流动性变差，材料力学性能降低，摩擦因数和磨损率增大。球形结构 GB 作为填料时，具有良好的分散性和较高的填充分数，能够增强粉末的流动性，增加成形后零件的各向同性，减少零件翘曲现象，从而增强材料性能，因此成为加固聚合物的常见选择2024。CANO等25研究了温度和打印方向对 SLS 制备 PA12 和GB/PA12 力学性能的影响。研究发现，GB/PA12 复合材料的断裂行为不受温度和打印方向的影响，与纯PA12 聚合物零件相比，GB/PA12 的抗断裂性极低。NEGI等21研究了SLS工艺参数对GB/PA12 复合材料力学性能的影响。MOUSA 等26通过 SLS 成形工艺参数的优化，提高了 GB/PA12 复合材料的成形精度和力学性能。GUO 等27制备了具有较低表面粗糙度、更高表面硬度和更高尺寸精度的 GB/PA12 复合材料，其模量为 2.74 GPa，高于纯 PA12 的 1.18 GPa。CONNOR等17制备的 GB 增强 PA12 复合材料，在 GB 的体积分数为 40%时，拉伸模量比 PA12 提高 85%，但抗拉强度降低 39%。PA 材料用作摩擦制件时，需同时具备一定的强度与耐磨性能，但针对 SLS 成形 GB 强化 PA材料摩擦磨损行为的研究鲜见报道。由于在实际应用中需考虑各项成本，因此本研究适量添加 GB 从而实现构件最优综合性能，具有重要的科学意义和工程价值。本研究以国产长碳链聚酰胺材料(PA1212)为基体材料，添加 10%GF 和 30%50%的 GB(均为质量分数)，采用 SLS 技术制备 GB/GF/PA1212 复合材料，研究 GB 含量对 GB/GF/PA1212 混合粉末和复合材料性能的影响，实验结果可对提高 PA1212 的综合性能提供理论指导，使其在工程环境中得到更广泛的应用。1 实验 1.1 原材料 PA1212 购于湖南华曙高科技股份有限公司，粒径为 6080 m。GF 和 GB 购于苏州锦艺新材料科技股份有限公司，理论密度为 2.42.6 g/cm3。GB 的平均粒径为 18 m，GF 的长度为 150 m，直径为 15 m。1.2 GB/GF/PA1212 复合材料的制备 表 1 所列为 GB/GF/PA1212 复合材料的编号和成分。本研究选取 w(GF)为 10%。当 w(GB)低于 30%时难以抵消添加 10%GF 带来的粉末流动性恶化对材料的影响，而 w(GB)高于 50%时易在成形过程中造成填料的聚集成簇，不利于材料的成形。因此选取 w(GB)分别为 30%、40%和 50%。首先按照表 1 称量 PA1212粉末、GB 和 GF，加入混炼机中，在 23 下以 60 r/min的速度搅拌30 min，然后过60目筛，得到粒径250 m的 GB/GF/PA1212 混合粉末。采用 SLS 法制备 GB/GF/PA1212 复合材料，所用烧结设备为工业规模的 SLS 装置(HT252)，用连续波CO2激光器制成，在 380 m 的光束直径下可提供高达60 W 的可调激光功率。粉末床在 170 预热，以防止 SLS 过程中产生卷曲。粉末层厚度为 0.1 mm，扫描速度为 10 m/s，扫描间距为 0.25 mm。设置 4 种激光功率，分别为 20、25、30 和 35 W。根据 GB/T1040.22006 标准制备哑铃形复合材料试样(有效尺寸为 50 mm10 mm4 mm)用于拉伸试验，同时制备直径和厚度分别为 30 mm 和 10 mm 的圆柱形样品用于摩擦磨损试验。表表 1 GB/GF/PA1212 复合材料的成分 Table 1 Composition ratio of GB/GF/PA1212 composites(mass fraction,%)Composite No.PA1212 GB GF 0GB-10GF 90 0 10 30GB-10GF 60 30 40GB-10GF 50 40 50GB-10GF 40 50 1.3 表征与测试 粉末性能表征使用扫描电镜(scanning electron microscope,SEM)Quanta FEG 250观察GB/GF/PA1212混合粉末的形貌，使用旋转粉末分析仪(RPA)测量粉末第 27 卷第 5 期 吴婷，等：选择性激光烧结 GB/GF/PA1212 的力学与摩擦学性能 571流动性，采用差示扫描量热仪(differential scanning calorimetry,DSC)测量混合粉末的熔融和结晶行为。通过使用排水法和邵氏硬度计分别测量 GB/GF/PA1212复合材料的密度和邵氏硬度。根据 ISO0527 标准，使用 Zwick/Roell Z010 万能实验机在 23 下对 SLS 试样进行拉伸实验。在环境条件(温度为 20、25，湿度约 55%)下，使用 HT-1000 销盘式高温摩擦磨损实验机对材料的摩擦学性能进行评估。上销为直径为 6 mm 的 GCr15 不锈钢球，载荷为 10 N，实验持续时间60 min，摩擦半径为 5 mm，速度为 1 000 r/min。用扫描电镜观察磨损表面的形貌，通过超深三维显微镜(VHX-5000)测量磨损截面轮廓，利用式(1)计算磨 损率。VkFD=(1)式中：k 为磨损率，mm