选择性激光熔化316L不锈钢粉成形优化工艺

赵 灿， 张 佳， 刘锦辉

(黑龙江科技学院 现代制造工程中心，哈尔滨 150027)

近年来，随着激光技术在材料加工领域应用的迅速发展，激光快速成形技术直接制造致密金属零件的方法受到广泛重视，国内外相关研究机构投入大量的人力和物力研究该项技术。选择性激光熔化(selective laser melting，SLM)是一种新型激光快速制造技术，它基于分层－叠加堆积原理，实现金属零件的快速制造，使之致密度近乎100%、机械性能与锻造工艺成形性能相当[1－5]。该技术具有成形材料广泛、成形零件无需支撑和成形复杂结构零件的优势[6]，被认为最具发展前景的快速制造技术之一。

316L不锈钢粉是一种成形性好、制备简单、来源广泛、成本低廉的金属粉末材料，其不锈钢的拉伸、压缩和抗冲击强度高，有很好的抗氧化性、耐磨和抗腐蚀性能[7]。尽管SLM技术在金属零部件的加工成形方面有很大优势，但其成形零部件存在一些缺陷，如致密度低、加工成形精度差和表面光洁度低等。为此，笔者研究SLM成形零件的主要工艺参数(激光功率、扫描速度、扫描间距)对316L不锈钢粉成形零部件的密度、表面形貌的影响。

1 实验材料与方法

1.1 实验设备与材料

实验设备采用华中科技大学研制的HRPM－ⅡB快速成形系统。其技术参数:CO2激光器功率500 W，扫描方式为振镜式激光扫描，最大成形空间为250 mm×250 mm×250 mm。

为避免粉末在成形过程中被氧化、减少氧化造成的球化，实验预先对快速成形系统内部实施抽真空处理，相对真空度为 －0.1 MPa，然后充保护气(高纯氩气，99.99%)达到标准大气压后停止。

实验选用的基板材质为45#钢，基板表面用无水乙醇做预处理清洗，保证成形的过程中不受基板加工时的油污影响。

实验材料为长沙骅骝公司生产的气雾化316L不锈钢粉末，如图1所示。粉末粒度为38 μm。其粒度的分布，如图2所示。由图2可见，粉末粒度尺寸集中在10～50 μm范围内。故30 μm 的铺粉厚度最为适宜。

图1 气雾化316L不锈钢粉末SEM形貌Fig.1 Gas atomized 316L stainless steel powder SEM micrographs

图2 粉末粒度大小分布Fig.2 Size of powder particle size distribution

1.2 实验方法

工艺设计采用正交实验方法，试样加工层厚为0.04 mm，粉末在松装时的密度为46%。采用逐行扫描的方式，横竖各1次。成形零件的规格为20 mm×10 mm×10 mm，零件成形后对其进行表面处理，清理后涂甘油，用排水法测试样的致密度，在电镜下观测制作试样的形貌。

2 结果与讨论

正交实验与实验结果如表1所示。共设计九组工艺参数，每组测试一个试样。取试样的致密度值来判定成形零件的质量，并对致密度高的试样进行表面形貌观测和金相分析。

表1 SLM工艺参数正交实验与结果Table 1 Process parameters of SLM orthogonal experimental design and results

由表1可见，在不同因素情况下对应的都有3个不同工艺参数，分别求出3个不同参数的致密度实验平均值，在200 W的激光功率下致密度的平均值ρz=(65.6%+67.5%+69.7%)/3=67.6%，作图分析不同的参数对致密度的影响趋势，结果如图3～5所示。

图3 激光功率对致密度影响趋势Fig.3 Laser power to influence trend of density

图4 扫描间距对致密度影响趋势Fig.4 Scanning spacing to influence trend of density

图5 扫描速度对致密度影响趋势Fig.5 Scanning speed to influence trend of density

2.1 各参数试样的致密度

实验表明:200～300 W的激光功率对零件致密度的影响最大。随着激光功率不断增大，激光熔化粉末的能力提高，在激光路径上粉末熔化充分，熔道深度加深、宽度加大，焊接边缘的搭接率更高，最终成形零件表面更加完整。同时，激光能量传导给整个零件对其起到保温作用，有利于气泡从熔池里排出。熔池表面平整有利于下次激光的烧结，因此，致密度增大。另外，降低激光的扫描速度或者减小扫描间距也可以提高零件致密度。

扫描间距对零件致密度影响不大，随着扫描间距的减小致密度增加缓慢。这主要是由于伴随着扫描间距减小单位体积内获得的能量增大导致金属粉末的熔化量增多所致。但是过于小的扫描间距会导致激光烧结金属粉末时能量过大最终导致粉末球化，使致密度很难再继续升高。

扫描速度从800 mm/s增加到1 000 mm/s时，试样致密度明显减小。这是因为激光扫描线在单位长度内的停留的时间减少，单位长度内获得的能量减小。金属粉末熔化量的减少会导致金属粉末焊接时的搭接率降低，不能形成非常致密的零件，最终导致试样致密度减小。但在扫描速度由600 mm/s增大到800 mm/s时，试样的成形致密度没有减小，反而有所增大，其原因可能是在此扫描速度范围内，随扫描速度增大，粉末对激光能量的吸收也增大，金属粉末的热量的散失率减少。

2.2 试样表面形貌

由图6可知，2号试样和3号试样致密度比较高，分别达到80.1%和79.5%。

图6 试样表面形貌Fig.6 Topography sample surface

由图6可见，成形区域内的金属纹理比较明显，金属光泽度较好，激光扫描线的搭接率比较连续。图6a中明显的亮颜色和比较暗的颜色分布，代表成形的金属孔洞。从图6还可以分析出，激光的扫描方式是分块扫描，这是由扫描方向的改变而得出的。每一扫描线区域的粉末熔成液态时会带着附近的粉末，导致两条扫描线之间有一些地方熔体搭接为一体，同时，出现了一些孔洞。这些孔洞使下次熔体流进去，能更好的填充孔洞，进而提高成形的致密度。由图6b可见，成形零件的致密度较高，但是表面质量不高。

2.3 工艺优化后的零件

根据实验数据分析，结合成形的零部件的形状，选用激光功率为300 W、扫描间距为0.08 mm，扫描速度为800 mm/s的一组优化工艺参数，成功制得如图7所示的零件。其中，图7a为等长叶片叶轮，图7b为交错叶片叶轮。叶片是比较难加工的零件，交错叶片叶轮比等长叶片叶轮更难加工，选择性激光熔化技术的优越性得以体现。

图7 成形叶轮Fig.7 Forming impeller

3 结束语

选择性激光熔化316L不锈钢粉末优化后的工艺参数，可以大幅度地提高零件成形的致密度和成形零件的表面形貌质量。当选择性激光熔化优化工艺的激光功率300 W、扫描间距0.08 mm、扫描速度800 mm/s时，成形的零件致密度最大，可成功制备表面形态良好的叶轮。在激光功率不变的情况下，成形零件的扫描速度和扫描间距在较大的范围内变化，对成形零件的致密度的影响不大。工艺参数对零件成形的致密度和表面形貌均有较大影响。

[1]付立定，史玉升，章文献，等.316L不锈钢粉末选择性激光熔化快速成形的工艺研究[J].应用激光，2008，28(2):108－111.

[2]LU L，FU H，H J Y，et al.In situ formation of TiC composite using selective laser melting[J].Materials Research Bulletin，2000，35(9):1555－1561.

[3]ABE F，SANTORS，KITAMURA Y.Influence of forming conditions on the titanium model in rapid prototyping with the selective laser melting process[J].Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers，Part C:Journal of Mechanical Engineering Science，2004，218(7):711－719.

[4]KRUTH J P，FROYEN L，VAN VAERENBERGH J，et al.Selective laser melting of iron based powder[J].Journal of Materials Processing Technology，2004，149(1/3):616－622.

[5]齐立涛，胡金平，于信伟.飞秒激光在蓝宝石晶体表面加工微细结构的实验研究[J].黑龙江科技学院学报，2012，22(3):297－302.

[6]刘锦辉，史玉升，王高潮，等.间接SLS制造金属零件初坯尺寸精度研究[J].南昌航空大学学报:自然科学版，2007，21(2):11－14.

[7]王 永，白培康，张树海.不锈钢金属粉选择性激光烧结成型研究进展[J].新技术新工艺，2007(12):71－73.