工艺参数对选区激光熔化成型316L不锈钢组织结构的影响

2020-05-07马行驰马海彬

科学技术与工程 2020年8期

刘畅，马行驰，马海彬

(上海电力大学能源与机械工程学院，上海 200090)

选区激光熔化技术是快速制造技术的一种，采用高能量激光束扫描金属粉末或金属丝，其金属材料是由SLM工艺的金属3D打印机制造而成，其具体过程就是使用CAD软件创建所需成型零件的三维模型，并将其转换为可切分的数据格式，根据预设程序，激光器选择性地扫描相应层横截面的几何形状，然后基板将活塞向下移动一层的厚度，铺粉系统在基面上发送粉末并均匀地铺展在表面上。最后，在完成模型层数加工之后，收集并处理成型件外部的松散金属粉末以供后备用。取下成型缸，用线切割机将成型好的零件取下[1-2]。与传统零件加工方式相比，这种零件加工方式具有加工成本低、不需要模具、节省材料、成型速度快等优点[3-4]。这项技术引入后，受到了人们的高度重视，并且发展迅速。近年来，研究人员对选区激光熔化技术进行了广泛的研究。目前金属3D打印技术主要应用于发电、航空航天、汽车制造等行业中[5-7]。国内外采用的金属材料粉末有工具钢、马氏体钢、不锈钢、纯钛及钛合金、铝合金、镍基合金、铜基合金、钴铬合金等[8-13]。

目前，选区激光熔化技术制造形成的不锈钢具有成本低，在耐蚀性、耐热性方面良好，同时在塑性韧性、低温强度和机械特征等方面具有高强度的优点，使其不仅应用于机械制造、生物工程领域，而且广泛用于实验研究[14-17]。近年来，国内外许多研究人员研究了316L激光选区熔化成型技术。Zhu等[18]研究不同激光功率和曝光时间对316L不锈钢的力学性能和电耗的影响，发现其力学性能不随着激光功率和曝光时间增加而线性增加，材料性能对电耗影响很大。Rosa[19]等对选区激光熔化成型的316L不锈钢内摩擦进行了研究，发现增材制造技术生产嵌入晶格结构的零件可以提高其阻尼能力。闫程程等[20]研究了扫描间距和扫描方法对SLM成型316L不锈钢表面质量的影响。通过这些实验研究发现，不同工艺参数在不同条件下会产生不同性能[20-22]，同时对316L不锈钢的选区激光熔化成型性能的研究还不成熟，需要进一步的实验研究。

316L材料价格相对较低，应用性广，不仅应用于航空、燃气轮机、汽车零部件等机械领域，在SLM实验技术中也被广泛应用。SLM成型技术制备的316L不锈钢研究项目包括显微组织演变机理[23]、316L不锈钢力学性能研究[24]、钢在热处理条件下对性能影响[25]、力学性能强度[26]等方面。采用SLM成型的316L不锈钢研究了激光工艺参数对316L不锈钢组织和性能的影响。影响试样成型的工艺参数较多，包括激光功率、扫描速度、扫描间距、铺粉厚度[27-28]等，选择激光功率和扫描速度作为变量研究SLM成型参数的改变对316L不锈钢组织结构的影响。

1 试验设备、材料及方法

试验采用316L不锈钢粉末作为试样打印材料，粉末粒径在 15～53 μm，试验所用的SLM成型的316L不锈钢化学组成和质量分数如表1所示。

表1 316L不锈钢化学成分Table 1 Chemical compositions of 316L stainless steels

试验中使用的设备为北京易加三维公司的EP-M250金属3D打印机，如图1所示。其主要包括送风系统、密封成型室、电机、铺粉机构、送粉机构、光纤激光器、三维控制系统以及真空装置等。试样成型空间为250 mm×250 mm×250 mm，光纤激光器为200 W/500 W，激光输出功率为200～500 W，最大的扫描速度为8 m/s，层厚为0.02 mm，扫描方式为逐行单向扫描，用氮气进行粉末载气和气体保护。

图1 EP-M250金属3D打印机Fig.1 EP-M250 Metal 3D Printer

2 试验设计及结果分析

2.1 试验设计

先对316L金属粉末进行滤网进行筛选，用来过滤金属粉末多余的杂质。对粉末进行干燥处理，使粉末中的水分挥发，干燥粉末有利于试样成型。根据316L的熔点约为1 850 ℃，设定真空干燥箱温度为110 ℃，对粉末在真空条件下烘烤5 h进行干燥预热。将粉末填入料缸内，高度为打印试样的两倍。用砂纸打磨由传统316L不锈钢材料制作成的成型缸表面来去除表面的氧化膜，然后再用酒精和丙酮擦拭表面，将成型缸表面油污去除。去除氧化层和油污有利于更好地将成型缸调平，更好地将金属粉末平铺在成型缸。成型室密封后打开激光器抽真空，实验采用氮气作为保护气体。抽真空通入氮气可以减少由成型过程中金属粉末氧化而引起的球化现象和生成金属合金造成的制件开裂等缺陷。打开气氛设定，对成型缸进行温度设定预热和成型室气压设定，可以减少试样加工时的熔池温度梯度，有利于试样成型。添加打印成型文件到控制系统准备打印。

为了研究不同工艺参数对316L不锈钢组织和性能的影响，样品采用多因素控制变量法，研究激光功率和扫描速度对打印试样的影响，将其作为变量，研究SLM成型参数的变化对316L不锈钢微观组织结构的影响。扫描间距、铺粉厚度等其他因素采用系统自带的参照参数，扫描间距为0.05 mm，铺粉厚度为0.02 mm。如表2所示，使用不同的激光扫描功率p、扫描速度v进行制造打印。通过激光直接堆积方式制备出规格为12 mm×15 mm×20 mm的长方体式样，等待试样完成打印。通过线切割切除成型缸上的成型件，研磨试样的表面同时进行抛光，采用X-射线衍射仪获得试样面5°～90°的X射线衍射波(X-ray diffraction，XRD)图形，采用化学试剂腐蚀试样钢的金相组织，在光学显微镜下观察试样的金相组织。通过衍射波形和金相法来观察不同工艺参数下选区激光熔化成型316L不锈钢组织结构的变化。

表2 试验试样工艺参数Table 2 Technical parameters of experimental specimens

2.2 试样不同成型方向的金相组织结构

图2 SLM成型示意图Fig.2 SLM shaping diagram

图3 SLM成型316L不锈钢不同面的金相组织Fig.3 Metallographic structure of 316L stainless steel formed by SLM

通过金相法观察试样的组织结构，在环境温度为23 ℃条件下，根据《金属显微组织检验方法》(GB/T 13298—2015)[29]经过磨抛和化学试剂侵蚀后置于光学显微镜下观察。由SLM成型的316L不锈钢金相组织均为奥氏体。图2所示为SLM成型示意图，其中X-Y面为扫描平面，X-Z面为平行扫描方向且平行于沉积方向的平面，Y-Z面为垂直扫描方向且平行于沉积方向的平面，X方向是平行扫描方向、Y方向是垂直扫描方向、Z方向是平行沉积方向。图3(a)、图3(b)为SLM成型的316L不锈钢试样1Y-Z面显微组织作为参照试样，图3(c)、图3(d)为X-Y面的显微组织，结果表明Y-Z面金相组织呈现出典型的鱼鳞状，X-Y面金相组织表现为典型的柱状晶，柱状晶生长机理为连续外延柱状晶生长[30]。两个面均存在少量的孔洞。

2.3 激光功率对金相组织的影响

在23 ℃的环境温度下，根据GB/T 13298—2015经过磨抛和化学试剂侵蚀后置于光学显微镜下观察。将试样1作为参照试样，在扫描速度v恒定下，分别观察激光参照功率、激光功率偏大和激光功率偏小情况下成型的不锈钢试样的Y-Z面和X-Y面显微组织。图3(a)所示为打印试样1在Y-Z面的显微组织，从图像可以看出，打印样品具有少量未闭合的孔，孔洞中有部分未能完全熔化的粉末。图中有受到激光影响快速熔凝形成的细密组织，同时也存在枝晶组织。沿着沉积方向连续生长的晶体有明显的快速熔凝特征，为细小的柱状晶或等轴晶。

图4(a)、图4(b)和图5(a)、图5(b)分别为试样Y-Z和X-Y面的显微组织图像，从图像可以看出，当激光功率过度降低时，图4(a)与图3(a)相比，试样不锈钢的孔隙裂纹量增多，孔隙率出现上升，使材料致密度下降。另一方面，图5(a)与图3(a)相比也出现了相同现象。这是因为不锈钢的孔隙率主要受到液相流动性和液相凝固时间影响。当激光功率很低时，成型缸对部分不锈钢粉末产生影响，金属粉末不会发生熔化，粉末凝固过程中会产生粉末间部分黏结，熔体黏性很高，液相的流动性能变差，使金属试样孔隙率很高；随着激光功率的不断增加，不锈钢粉末将继续熔化，产生的液相量将逐渐增加。金属的部分熔化会产生合适的液相，未能熔化的固相颗粒通过液相的“桥接”作用结合。液相流动性能提高，液相沿着凝固金属的晶界和颗粒间的接触面冷却凝固成型，随着激光功率的增加，不锈钢的孔隙率也会降低。

图5 不同激光功率下SLM成型的316L不锈钢X-Y面的金相组织Fig.5 Metallographic structure of 316L stainless steel X-Y surface formed by SLM at different laser power

当激光功率过度增加时，从图4(b)和图3(a)可以看出，除了打印样品不锈钢多出些孔洞外，里面还掺杂了“球形”物质，这是很明显的球化现象。当激光功率超过参照功率并增加到一定值时，激光功率过高，会发生“球化”现象。金属粉末没有完全熔化，但会生成足够多的液相，在较高的激光功率扫描下会产生金属熔化轨迹，熔化的金属粉末因为表面能的降低而引起的液柱不稳定，从而分裂成直径近似于光斑直径的球状。在球化产生的同时，使球化底部和金属凝固层之间产生死角，粉末未能完全填全，在金属粉末完全熔化后也会形成孔洞。因此，过高和过低的激光功率都会影响激光选区熔化成型的316L不锈钢的金相组织结构，激光功率需保持在参照的范围，才能保障打印件的孔隙率和致密度。

2.4 扫描速度对金相组织的影响

在激光扫描功率p=295 W恒定的情况下，调整扫描速度，分别选取低于其速度和高于其速度的两个试样与试样1同一方向面比较。发现当扫描速度很低时，如图6(a)和图7(a)所示，分别与图3(a)和图3(c)相比，打印样品具有很明显的球化现象。这是因为在扫描速度较小时，成型过程液相可以存在更多的时间，能够使液相在成型过程有更多时间来流动和铺展，液相的流动时间增多，会让润湿固相颗粒的数量增加，以致粉末能量摄入过量，使液相产生飞溅到打印试样边缘部位迅速冷却形成球化颗粒。

当扫描速度过大时，如图6(b)和图7(b)所示，与打印件1相比试样5孔洞和裂纹很多。这是因为，与参照扫描速度相比，当扫描速度过高时，成型过程液相可以存在的时间很短，成型过程中液相没有足够的时间流动铺展，会让润湿固相颗粒的数量增加，进而使试样5致密度较低。因此，激光选区熔化成型的316L不锈钢在扫描速度上也应保持在参照范围内才会使零件致密度得到保障。