选择性激光烧结尼龙材料及其挡水板制件性能研究

丁浩亮 栾 宇 李 凡 魏 赛 闫春泽

（1 航天材料及工艺研究所，北京 100076）

（2 北京宇航系统工程研究所，北京 100076）

（3 华中科技大学材料成形与模具技术国家重点实验室，武汉 430074）

文 摘 采用SLS 尼龙12 设计并成形了某箭体低承载挡水板薄壁结构，重点就SLS 尼龙12 及其碳纤维增强材料的力学、热学、断口微观形貌以及制件SLS 工艺参数进行了研究。研究表明，选用牌号X1556 尼龙12作为挡水板材料，其无缺口冲击强度81.2 kJ/m2，断裂伸长率26.9%，烧结窗口温度差26.0℃，材料具备良好的抗冲击强度、断裂韧性和较宽的烧结窗口温度范围。优化设置成形工艺参数，如预铺粉起始温度为155℃，预铺粉保持温度168℃，加工温度169℃，填充速度4 000 mm/s，成形的挡水板制件外观良好，并且该制件通过了防水及耐热试验考核验证，为SLS 尼龙成形技术在航天领域中的拓展应用打下基础。

0 引言

选择性激光烧结（SLS）是一种以激光为热源烧结粉末材料的快速成形技术[1]，它不受零件形状复杂限制，无需任何工装模具，可将固体粉末直接烧结成三维实体零件[2-3]，可满足航天领域中低承载功能零件的多品种、小批量的成形需求，且材料利用率高、加工周期短，应用前景广阔。尼龙是目前SLS 技术制备塑料功能件最好的材料[4-5]，其中SLS 尼龙12 制件具备密度小（约1.0 g/cm3）、吸水率低（＜1.0%）及饱和吸水后制件尺寸稳定性好的优点。

华中科技大学[6]已采用溶剂沉淀法制备了SLS 用纳米SiO2/PA12 复合粉末以及SLS 尼龙12 覆膜铝粉，并与广东银禧科技股份有限公司合作，实现了SLS 尼龙及其增强材料的产业化。美国橡树岭国家实验室通过向打印级热塑性颗粒中添加碳纤维，成形了无人机机翼结构[7]。德国EOS 公司开发的牌号PA3200GF 尼龙粉末，用于增材制造壳体和热应力零件[8]。

本文采用SLS 尼龙成形某箭体低承载薄壁结构挡水板制件，对SLS 尼龙12 及其碳纤维增强材料的力学、热学、断口微观形貌以及制件SLS 工艺参数进行了探索性研究，并开展了防水及耐热试验考核验证。

1 试验

1.1 主要原材料

尼龙12 粉末:X1556，德国赢创工业集团；SP301，广东银禧科技股份有限公司；FS3200PA，湖南华曙高科技有限责任公司；碳纤维增强尼龙粉末:SP305CF，广东银禧科技股份有限公司。

1.2 主要设备和仪器

选择性激光烧结设备:HK P320（含HUST 3D 软件系统），武汉华科三维科技有限公司；电子万能试验机:CMT5205，美特斯工业系统（中国）有限公司；冲击试验机:HIT50.PC，德国Zwick 集团；热导率测试仪:DTC-300，美国TA 仪器公司；洛氏硬度仪:TH320，时代集团公司；同步热分析仪:SDT Q600，美国TA 仪器公司；扫描电子显微镜（SEM）:Quanta FEG650，美国FEI 公司。

1.3 性能测试

密度按GB/T1463—2005 测试；拉伸性能按GB/T1040.2—2006 测试，拉伸速率5 mm/min；弯曲性能按GB/T9341—2008 测试，弯曲速率2 mm/min；压缩性能按GB/T14208.3—2009 测试，变形量40%；无缺口冲击强度（简支梁）按GB/T1043.1—2008 测试；洛氏硬度按GB/T3398.2—2008 测试；热导率按GB/T10295—2008测试；吸水率按GB/T1034—2008 测试；扫描电镜（SEM）:对拉伸试样断口进行喷金，分析微观形貌；差示扫描量热（DSC）:测试升降温均在氮气氛围下进行，升温时自室温以10℃/min 的速率升到400℃保温5 min以去除热历史，再以5℃/min 速率降温到室温，再以10℃/min 的速率升到400℃，记录DSC 曲线；热失重（TGA）:氮气下，自室温以10℃/min 的速率升温到800℃，记录TGA 曲线。

2 结果与讨论

2.1 挡水板材料特性

2.1.1 基础性能对比

采用SLS 成形方法加工尼龙12 及碳纤维增强材料性能试样，性能测试结果见表1。

表1 尼龙12 及碳纤维增强材料性能测试结果Tab.1 Performance test results of nylon 12 and carbon fiber reinforced material

由表1可知，由三个牌号尼龙12 材料性能对比发现，X1556 的物理、力学综合性能较优，其中无缺口冲击强度达到81.2 kJ/m2，表现出突出的冲击韧性；吸水率为0.55%，较低，有利于制件防水；热导率为0.27 W/（m·K），具有绝热特性，有利于制件的气动环境下耐热。另外，SP301 密度为0.94 g/cm3，最低，这是由于其烧结成形后存在较高的孔隙率，致密度低，进而造成其综合性能衰减。

SP305CF 能较X1556 性能对比发现，拉伸、弯曲和压缩的强度与模量有所提升，但提升不明显，这可能与碳纤维含量、纤维长度有关；SP305CF 断裂伸长率及无缺口冲击强度显著降低，这说明SP305CF 韧性不足，表现出明显的脆性断裂特征；而SP305 的热导率和吸水率略微升高，这说明其耐热性和防水效果略低于X1556。

由上分析，X1556 的物理、力学综合性能最佳，SP305CF 性能次之，初选作挡水板用料。

2.1.2 断口微观形貌

对X1556 和SP305CF 材料拉伸试样断口SEM照片如图1所示。

由图1可知，X1556 断口形貌较为粗糙，出现“拉丝”现象，为韧性断裂；SP305CF 断口形貌较为光滑，为脆性断裂特征，工程应用存在风险。该两种材料断裂形式与表1的断裂伸长率测试结果相一致。

图1 X1556 和SP305CF 拉伸试样断口SEM 照片Fig.1 Fracture surfac of X1556 and SP305CF Tensile sample

2.1.3 热性能

X1556 和SP305CF 粉末其典型温度值见表2，DSC 和TGA 曲线如图2所示。

由表2及图2（a）可知，SP305CF 较X1556 有略高的熔融峰温度和结晶峰温度，吸热和放热峰显著，这是由于SP305CF 中含有的碳纤维其导热特性所致；而X1556 的烧结窗口温差26.0℃较SP305CF 高6.4℃，显示出较宽的加工温度范围，为成形工艺参数的设计提供了依据；由表2及图2（b）可知，SP305CF较X1556 有较高的分解温度，耐热性较好，其分解温度达到485℃，800℃后其质量残留趋于稳定达13.7%，残留粉为氮气气氛下未能完全烧尽的碳灰分，而X1556 在485℃已热分解完全。

表2 X1556 和SP305CF 粉末热性能典型温度Tab.2 Typical temperatures of powder thermal properties of X1556 and SP305CF powder ℃

图2 X1556 和SP305CF 两种粉末DSC 及TGA 曲线Fig.2 DSC and TGA curves of X1556 and SP305CF powders

2.2 挡水板成形工艺参数设置及优化

2.2.1 挡水板成形工艺流程图

挡水板SLS 成形工艺流程见图3。尼龙新粉应充分静置去除粉末静电影响，粉末置入铺粉缸后设置预热温度，设备预热1 h 以上并稳定，充分预热以保持温度场均匀，避免后期引起零件翘曲变形。模型预处理的同时，对挡水板进行实体零件转换，适当旋转模型以选取理想加工方位放置。烧结完成后，设备粉床整体自由冷却至室温后取出零件，先用毛刷清理零件表面多余粉末，再用压缩空气吹去难以刷去的粉末。

图3 挡水板SLS 成形工艺流程图Fig.3 SLS flow chart of water retaining plates

2.2.2 挡水板成形工艺参数

采用X1556 及SP305CF 分别制造挡水板的工艺参数见表3。

表3 X1556 和SP305CF 粉末成形挡水板工艺参数设置Tab.3 Processing parameter settings for X1556 and SP305CF powders

X1556 的烧结窗口为139.3～165.3℃，表3设置的预铺温度及加工温度成形的挡水板[图4（a）]，其外观良好，未出现翘曲变形；SP305CF 的烧结窗口为153.5～173.1℃，由表3发现SP305CF 成形设置了较低的预热温度和加工温度，这导致材料受热熔融不充分，进而成形的挡水板会出现翘曲变形缺陷，如图4（b）所示。因而，预热起始温度应提高至160～165℃，预热保持温度应提高至165～172℃，加工温度应略高于173.1℃。

图4 X1556 和SP305CF 两种粉末成形的挡水板外观Fig.4 Appearance of X1556 and SP305CF water retaining plates

另外，SP305CF 中含20wt%的碳纤维（长度80～150 μm，直径2～5 μm），该纤维属细纤维结构并随机分布于尼龙粉末中。挡水板成形过程中，碳纤维的取向导致单层产生较大的收缩应力，可调高加工温度来抑制收缩应力，如175～178℃。此外，SP305CF 挡水板在成形过程中未翘曲，是在冷却过程中出现了明显的翘曲，这说明层间应力是翘曲主要原因。而层间应力过大，由于碳纤维可能存在跨层结构，可通过采用更高目数的碳纤维粉末降低跨层的出现；层厚度过小，层间烧结缝隙数量增加，应力增大，可适当增加单层厚度（如0.15 mm）来降低翘曲。

2.3 挡水板的地面验证考核

采用X1556 尼龙材料成形的挡水板，开展了地面挡水和热烧蚀试验。其中，挡水试验模拟了箭体级间经受雨水、冷凝水淋袭环境，观察水流的流淌痕迹及挡水效果；而热烧蚀试验模拟了挡水板在经历飞行热环境下的适应性，记录了耐热试验时挡水板表面温度变化。结果表明，X1556 成形的挡水板适应箭体级间结构的复杂安装边界，可有效将水流与结构隔离开，挡水效果明显，并且初步验证满足飞行热环境要求，待进一步进行相关研制试验考核后实施应用。

3 结论

（1）挡水板材料需具备良好的抗冲击强度及断裂韧性，较宽的烧结窗口温度范围，例如X1556 其物理、力学综合性能较优，其中无缺口冲击强度81.2 kJ/m2，断裂伸长率26.9%，烧结窗口温度差26.0℃；

（2）挡水板制件为避免产生翘曲变形缺陷，需设置合理的增材制造成形工艺参数，例如X1556 其预铺粉起始温度155℃，预铺粉保持温度168℃，加工温度169℃，填充速度4 000 mm/s，成形的制件外观良好；

（3）挡水板制件需适应箭体结构复杂的安装条件，可有效挡水并满足飞行热环境要求，采用X1556成形的制件初步通过了地面验证考核，为SLS 尼龙制件在航天领域中的拓展应用打下基础。