选区激光熔化成形316L不锈钢单层单道工艺研究

阎思锦，盛文斌

（1.山东理工大学 材料科学与工程学院，山东 淄博 255049；2.山东理工大学 分析测试中心，山东 淄博 255049）

0 引言

选区激光熔化（Selective Laser Melting，SLM）由德国Fraunhofer激光技术研究所于二十世纪90年代首次提出，由于其生产的零件具有致密度高、精度好、机械性能优异等特点，因此在航空航天、现代医疗和汽车等领域得到了广泛应用[1-4]。该技术避免了传统“减材”加工方式的局限性，成为材料加工和制造行业领域的研究热点之一，被多个国家列为工业发展战略中的重点。

选区激光熔化加工过程为复杂动态非平衡过程，其原理是将金属粉末铺在基板上，利用激光束按照预先设置扫描路径和参数将粉末熔化并与基板结合，然后逐层铺粉、扫描直至零件完成[5-6]。该过程中材料在极短的时间内经历了熔化和冷却，因此，易产生球化、裂纹和变形等缺陷，这些缺陷对零件的致密度和力学性能有显著影响[7-8]。基于以上特点，为改善SLM法制备316L不锈钢成形件质量，研究打印工艺参数是必要的。

本文通过SLM法制备316L不锈钢，对不同工艺参数下单层单道熔池几何尺寸和熔道形貌进行研究，探究激光功率和扫描速度对熔池几何尺寸的影响规律。

1 实验

1.1 实验材料及设备

研究所用原材料为气雾化法制备的316L不锈钢粉末，其化学成分列于表1。图1（a）为粉末颗粒的微观形貌，颗粒外形球化效果好。利用Malvern Mastersize 3000型粒度分析仪对其粒径分布情况进行测试，所得曲线如图1（b）所示，粒径平均值约为34.72 μm，呈正态分布，满足实验需求[9-10]。

图1 316L不锈钢粉末形貌及粒径分布

表1 316L不锈钢化学成分

1.2 实验设备及内容

实验所用SLM成型设备为德国SLM Solutions生产的SLM-125系列金属选区激光熔化打印机。利用UG三维绘图软件构建零件三维模型，导出后进行支撑设计和切片处理，并根据工艺方案设置工艺参数和激光扫描路径等参数；安装基板，加装金属粉末，对基板进行预热处理；将二维切片模型数据导入到成形设备中，关闭成形舱并抽真空至低于1PPM，然后充入氩气进行保护；开始打印直至试样完成。

将打印熔道的基板从横截面进行切割，利用600～3000目的砂纸将横截面研磨后进行电解抛光，15 V电压抛光15 s。抛光剂采用20% vol高氯酸＋80% vol无水乙醇。最后，利用MA4000金相显微镜对熔道表面进行观察拍照，并测量横截面熔池的宽度和深度尺寸。

2 实验方案

实验采用4个激光功率参数和4个扫描速度参数列于表2，两两组合一共打印了16条熔道。

表2 SLM-316L不锈钢单层单道打印参数

3 分析讨论

实验打印的实物图如图2所示。

图2 典型的失效树示例

图2 单层单道扫描熔道

3.1 工艺参数对熔道形貌的影响

实验所用16组工艺参数均可熔化316L不锈钢粉末，不同工艺参数条件下熔道表面形貌如图3（a）～（p）所示。当激光功率为150W时，随着扫描速度的增大，熔道宽度逐渐变窄，扫描速度增大到1200mm·s-1时，熔道发生“球化”现象；当激光功率为200W时，随着扫描速度的增大，熔道宽度越来越窄，熔道并没有出现明显的缺陷；当激光功率为250 W，扫描速度为600mm·s-1和800mm·s-1时，熔道发生明显的“球化”现象，当扫描速度增大到1000mm·s-1和1200 mm·s-1时，熔道无明显缺陷；当激光功率为300W，扫描速度为600mm·s-1时，“球化”现象尤其严重，随着扫描速度增大到1200mm·s-1，“球化”现象得到改善但依然存在。可见，当激光功率较低且扫描速度较大时，粉末吸收的能量不足以实现完全熔化，熔体流动性较差，与基板之间润湿角增大，出现“球化”现象；当激光功率较高且扫描速度较小时，较大的温度梯度使熔池内部出现马拉格尼流快速运动，也易出现“球化”现象。

图3 SLM单层单道成形熔道形貌

3.2 工艺参数对熔池深度的影响

激光功率和扫描速度对熔池深度的影响，如图4所示，以不同色块表征每组工艺参数下的熔池深度，具体数值参照颜色标尺。从图中可以看出，熔池深度范围为14～154μm，d和h条件下熔池深度小于30μm，a、b、c、f、g、k、l和p在30～60μm，e、j和o在60～90μm，i为108μm，n为135μm，m为154μm。可见，熔池深度随激光功率的增大而增大，随扫描速度的增大而减小。随着激光功率的提高，或者扫描速度的降低，粉末和基板单位时间内所吸收的能量增多，熔化过程进行的更加充分，因此，熔池深度增加。

图4 熔池深度与激光功率和扫描速度的关系，颜色标尺代表熔化深度

3.3 工艺参数对熔池宽度的影响

图5为激光功率和扫描速度对熔池宽度的影响，熔池宽度变化范围为79～135μm，d条件下熔池宽度为79μm，h为89μm，c和o在90～100μm，g和p在100～110μm，b和f在110～120μm，a、e、j、k、l和n在120～130μm，i和m的熔池宽度大于130μm。综合比较图3可知，d、i、j、m、n、o和p熔道均匀性较差，易发生“球化”现象。相比于扫描速度，激光功率变化对熔池宽度的影响并不十分明显。激光功率一定时，扫描速度越小，熔池宽度越大，因为激光在金属粉末表面停留时间较长，金属粉末吸收的能量较多，熔化更充分，因此，熔池宽度增加。

图5 熔池宽度与激光功率和扫描速度的关系，颜色标尺代表熔池宽度

3.4 工艺参数对熔道高度的影响

激光功率和扫描速度对熔道高度的影响规律如图6所示。熔道高度变化范围为0～108μm，d条件的熔道高度为0，c为16μm，b和h在20～30μm，f和g在30～40μm，k和l在40～50μm，a和e在50～60μm，m和n在60～70μm，o为82μm，i和p大于90μm。当激光功率分别为150W、200W和250W时，熔道高度随扫描速度的增大而减小；当激光功率达到300W时，熔道高度随扫描速度的增大而增大。金属粉末吸收能量发生熔化，熔道高度逐渐增大，但当吸收能量过高时，熔池内液体稳定性变差，易发生飞溅现象，从而使其高度变小。结合图3可知，d条件所测区域恰好位于熔道间断区域，高度为零；o、i和p所测区域恰好位于发生“球化”现象的金属球的中上部，其高度值大于80μm。

图6 熔道高度与激光功率和扫描速度的关系，颜色标尺代表熔道高度

4 结语

合适的激光功率和扫描速度能形成连续、稳定的熔道。熔池深度随激光功率的增大而增大，随扫描速度的增大而减小；熔池宽度随激光功率的变化影响并不明显，随扫描速度的增大而减小；当激光功率为150 W、200 W和250 W时，熔道高度随扫描速度的增大而减小；当激光功率为300 W时，熔道高度随扫描速度的增大而增大。