激光选区熔化成形316L不锈钢组织和力学性能分析

2021-03-09程灵钰何召辉文珊珊刘正武朱小刚

激光与红外 2021年2期

程灵钰,何召辉,孙靖,文珊珊,刘正武,朱小刚,李鹏

(1.上海航天设备制造总厂有限公司,上海 200245；2.上海复杂金属构件增材制造工程技术研究中心,上海 200245；3.上海交通大学材料科学与工程学院,上海 200240)

1 引言

激光选区熔化(Selective laser melting,SLM)技术是基于离散-堆积原理,应用计算机及高精度光学系统,控制高能激光束逐层熔化微细金属粉末,通过层层冶金结合,直接成形高性能金属零件[1-2]。该技术激光光斑微细,分层厚度小,在成形微细复杂结构方面具有显著优势[3]。该技术无需模具,可直接制造任意复杂的零件,能够有效缩短零件的研制周期[4],节省成本,特别适合品种多,批量小,结构复杂的航天产品的生产制造。

316L不锈钢是一种超低碳不锈钢,具有优异的耐海水腐蚀、耐晶间腐蚀、耐酸性能,同时韧性极好,耐高温性能良好。316L不锈钢因此被广泛用于石油、化工、轻工业、医疗等行业。由于316L不锈钢激光选区熔化成形性好,因此国内外众多学者对316L不锈钢激光选区熔化成形开展了相关研究。孙健峰[5]等人采用激光选区熔化成形工艺制备了316L不锈钢多孔过滤零件,发现可制备的1 mm的微孔尺寸的过滤零件,零件内部组织主要由不规则形状和条形组成。Ma M[6]等人比较了激光选区熔化成形及激光熔覆沉积两种工艺对316L不锈钢冶金行为的影响。Spierings.A.B[7]团队及Riemer.A.[8]团队研究了316L不锈钢激光选区熔化成形试样的疲劳性能。赵曙明[9]等人采用水雾化粉末进行激光选区熔化成形研究,发现单层表面粗糙度Ra随着能量密度的增大而呈减小趋势,通过优化工艺参数,得到的316L不锈钢试样拉伸性能优于铸件。Cherry.J.A[10]等人研究了工艺参数对激光选区熔化成形316L不锈钢的微观组织及性能的影响,发现较差的表面光洁度及孔洞是影响其显微硬度的主要原因。张飞飞[11]等研究了激光选区熔化成形不同层厚下316L不锈钢的拉伸性能,发现50 μm层厚下拉伸强度较高。尹燕[12]等研究了激光选区熔化成形316L不锈钢的微观组织及拉伸性能,发现试样的抗拉强度与传统工艺相比有较大提高,但延伸率下降。梁庆杰[13]研究了工艺参数对选区激光熔化成形316L不锈钢的影响,发现扫描速度对致密度及拉伸性能影响最大,优化后的参数下,抗拉强度达到了622 MPa,断后延伸率达到了7.17 %。

目前,针对激光选区熔化成形316L不锈钢性能的研究主要集中于拉伸性能,对其他性能研究较少,因此需进一步探索。本文对SLM成形316L不锈钢试样的组织和拉伸、布氏硬度、夏比缺口冲击功、弯曲性能进行了综合分析,以期为采用激光选区熔化技术制造零件提供基础数据和研究思路。

2 实验

2.1 材料

采用气雾化316L不锈钢粉末,粉末形貌如图1所示,粉末呈球形,平均粒径28 μm。粉末主要成分见表1。

图1 316L不锈钢粉末形貌

表1 316L不锈钢粉末化学成分(wt %)

2.2 设备及工艺

采用上海航天设备制造总厂有限公司研制的Kre-AM 280型SLM设备。该设备采用500 W光纤激光器,波长(1080±5)nm,光斑直径50～80 μm,扫描速度10～1000 mm/s,最小加工层厚可控制在0.02 mm。成形过程中采用含量为99.999 %的高纯氩气保护。激光选区熔化成形工艺参数为:激光功率200 W,扫描速度500 mm/s,单层厚度30 μm,扫描间距150 μm,扫描方式为分块旋转扫描,分块宽度10 mm,相邻层旋转67°。成形316L不锈钢试样为20 mm×20 mm×10 mm的正方体、10 mm×10 mm×80 mm 的长方体、11 mm×11 mm×60 mm 的长方体,分别制备XY及Z向试样。试样的取样方向如图2所示,XY向为扫描平面方向,Z向为层层叠加成形方向。

试样经研磨、抛光后,试样采用王水(HNO3∶HCl=1∶3)腐蚀50s,获得金相试样。利用蔡司Ario observer光学显微镜观察试样的的微观组织,FEI Nova NanoSEM450 型扫描电子显微镜观察试样的显微组织及拉伸断口形貌。采用XHB-3000 型硬度计测试试样的硬度,每个试样测试5个数据,取其平均值。按照国家标准GB/T 228.1-2010,将试样加工成80 mm×10 mm×10 mm 的哑铃状片状拉伸试样,利用CMT-5305型电子万能试验机测试试样的室温拉伸性能,每组试样包含5根样品。冲击试样采用10 mm×10 mm×55 mm 的夏比V型缺口试样,根据《GB /T229-2007 金属材料夏比摆锤冲击试验方法》在JB-30A 冲击试验机上进行常温冲击试验。按照国标GB/T 232-2010对试样进行弯曲测试。

图2 试样取样方向示意图

3 结果与讨论

3.1 316L不锈钢的微观组织

图3为激光选区熔化成形316L不锈钢的XOY方向显微组织。由图3(a)可见出,相邻熔覆道之间的搭接良好。从图3(b)可见组织主要由胞状晶和呈外延生长的柱状晶组成,柱状晶的取向各不相同。由于熔池边界处粉末未熔化区域温度较低,因此一部分晶粒沿着熔池边界外延生长,同时在SLM过程中,熔池内部经历快速冷却,表面张力形成梯度,熔池内部存在“马戈紊流”,熔池内发生对流[14],导致熔池内部散热方向发生改变,因此,造成晶粒显示出不同的生长方向(见图3(b))。胞状晶呈正六边形,为柱状晶的截面,柱状晶晶粒十分细小,直径分布在0.4～0.7 μm(见图3(c))。

图3 316L不锈钢XY向微观组织

图4为激光选区熔化成形316L不锈钢的Z方向显微组织。从图4(a)中可以看出层与层之间的熔合线,层与层之间连接致密,可见明显鱼鳞纹状的熔池截面。由图4(b)可以看出,在熔合线附近,存在明显的外延生长特性。激光选区熔化成形过程中,熔池的上方是激光束和气体,下方是前一凝固层,热量向下传递较快,因此熔池从固相基底开始向液相熔池凝固,越靠近前一凝固层的位置,温度梯度越大,而晶粒总是朝着散热方向最快的方向发展,从而使激光选区熔化成形的柱状晶沿着熔合线开始外延生长[15]。同时在熔合线附近,前一凝固层受热发生局部重熔,导致晶粒一定程度的长大,晶粒尺寸大于熔池中心处。

图4 316L不锈钢Z向微观组织

3.2 激光选区熔化成形316L不锈钢的力学性能

激光选区熔化成形316L不锈钢的室温拉伸性能如图5所示,XY方向抗拉强度分布在692～703 MPa,屈服强度分布在603～609 MPa,延伸率分布在18.5%～21 %。Z方向的拉伸性能分布在511～531 MPa,屈服强度分布在499.5～466 MPa,延伸率分布在7.0～9.5 %。与XY方向相比,抗拉强度下降了25 %,屈服强度下降了24.5 %,延伸率下降了60 %。与GB/T1220-2008中规定的棒材抗拉强度480 MPa,屈服强度177 MPa,延伸率40 %相比,抗拉强度及屈服强度明显提升,其中屈服强度的升高尤其显著,但是延伸率偏低,这与文献[12]、[16]得到的结果一致。在层层叠加方向,单层扫描间隔时间相对于相邻道道扫描间隔时间要长得多,因此在层层搭接方向冷却时间较长,温度梯度较大,造成内应力较大,造成Z向的强度及延伸率相比XY向有一定的下降。激光选区熔化成形过程熔池局部加热,瞬时熔化,快速冷却,整个过程一般只有几毫秒的时间,熔池冷却速度很快,导致晶粒十分细小,且排布致密,因此与传统方法成形材料相比强度提高明显。但是由于激光选区熔化形成的熔池尺寸小,局部快速熔化及冷却,形成了非平衡的微观组织结构,零件内部不同部位收缩及膨胀变形趋势不一致,零件内部残余应力不可避免,进而导致塑性偏低。从图3(b)可知,细小柱状晶生长方向各异,在拉伸过程中,塑性变形方向不一致,互相牵制,也会导致塑性下降。另一方面,除了晶界外,激光选区熔化成形过程还存在大量道道搭接,层层叠加熔合界面,界面处的变形阻力使材料拉伸强度升高,延伸率下降[12]。

图5 316L不锈钢室温拉伸性能

不同成形方向的激光选区熔化成形316L不锈钢的拉伸断口如图6所示。图6(a)中可以看出,XY方向拉伸断口较平整,侧面中间存在明显的收缩颈,中间和边缘的收缩比达到了76.3 %。图6(b)中可以看出,与XY方向相比,Z方向断口存在较多的孔洞及未熔化颗粒,这与Z方向延伸率较低相吻合。图6(c)、6(d)可以看到明显的韧窝,显示为韧性断裂。比较图6(e)、6(f)可以看XY向韧窝直径及深度明显大于Z方向韧窝尺寸。韧窝直径及深度越大,表明韧性越好,延伸率越高,这也佐证了XY方向延伸率比Z方向要好。

图6 不同倍率的拉伸试样断口形貌

激光选区熔化成形316L不锈钢的布氏硬度如图7示,每个方向成形3个试样。由图7可以看出,XY方向的试样与Z方向的试样布氏硬度相差不大,平均硬度分别为188.7 HB和189 HB,与固溶态不锈钢棒材硬度相当。

图7 316L不锈钢布氏硬度

激光选区熔化成形316L不锈钢的冲击功如图8示,XY方向及Z向各成形3个试样,由图中可以看出,XY方向的试样与Z方向的试样冲击功相差不大,XY方向略高于Z向,平均冲击功分别为74.5 J和70.0 J,高于文献[16](平均冲击功56.8 J)报道的测试结果及文献[9]测试的7.294 J。XY方向的冲击功略高于Z方向的冲击功,这与激光选区熔化316L不锈钢XY向韧性优于Z向韧性是一致的。