304L奥氏体不锈钢SLM成形相对密度优化研究

沈丽丽，马高峰，李嘉琪，申童威，赵 伟

（福州大学 至诚学院，福建 福州 350002）

0 引 言

选择性激光融化（selective laser melting，SLM）成形技术是3D打印成形技术中最具潜力的技术之一，该技术能满足产品个性化需求，能成形传统方法很难成形或无法成形的复杂零件，具有工艺简单、周期短、节约材料和成本等优点，且制造的零件综合力学性能优良[1,2]。目前，SLM已被广泛地研究应用于铁基、铝基、钛基、钴基、铜基及镍基等材料[3-5]。铁基材料中，不锈钢因其性能优良已成为SLM加工的重要材料，但目前研究主要集中在316L奥氏体不锈钢[6,7]，对304L奥氏体不锈钢的研究相对较少，以下采用气雾化法制备了304L奥氏体不锈钢粉末，选取不同工艺参数成形试样，探究了激光功率、扫描速度、扫描宽度和激光能量密度对试样相对密度的影响，为304L奥氏体不锈钢SLM工艺参数的选取提供参考。

1 试验材料和方法

气雾化法制备304L奥氏体不锈钢粉末，其化学成分及含量如表1所示。粉末粒径为D10=12.34 μm，D50=31.65 μm，D90=56.64 μm，粉末SEM形貌如图1所示。

表1 304L奥氏体不锈钢化学成分及含量 质量分数

图1 粉末SEM形貌

为探究激光功率、扫描速度、扫描宽度和激光能量密度对零件相对密度的影响，设计3因素4水平的正交试验表，如表2所示，其中激光功率60～90 W，扫描速度500～800 mm/s，扫描宽度0.07～0.10 mm，铺粉厚度固定不变为25 μm。试验采用SLM成形试验机。成形试验机最大激光功率为100 W，最大成形体积为105 mm×105 mm×100 mm，为保证机器正常工作，成形中采用氩气进行保护，成形室氧含量小于0.1%。成形过程采用相邻两层旋转67°的扫描策略进行零件成形，制成尺寸为8 mm×8 mm×8 mm的颗粒试样。

表2 正交试验表

试样密度采用赛多利亚YDK01-C密度套件进行测量，每个参数取2个试样测量后取平均值。采用线切割将试样从打印方向的中间切开，采用金相砂纸逐级打磨和抛光至镜面，然后采用金相显微镜进行金相观察。

2 试验结果

SLM零件质量评测中，常通过相对密度K值判定其质量及力学性能，相对密度K值是零件的实际密度与当前成分的理论密度的比值，在试验制作过程中，零件的K值无法达到100%。K值越大，零件的内部结构越紧密坚固、缺陷越少、力学性能越好、成形质量越优良。表3所示为各工艺参数相互组合的正交试验结果。由表3可知，16组试验结果相对密度均在95%以上，表明采用SLM方式成形的试样相对密度较好。第3组试样的相对密度最高为98.81%，其激光能量密度为57.14 J/mm3。

为分析激光能量密度对零件相对密度的影响，表3列举了16组工艺参数组合的激光能量密度。研究表明激光能量密度对零件的相对密度影响较大，其主要由激光功率、扫描速度、扫描宽度和粉末层厚决定，激光能量密度表达式为：

表3 正交试验结果

式中：E——激光能量密度，J/mm3；P——激光功率，W；v——扫描速度，mm/s；h——扫描宽度，mm；w—铺粉层厚，mm。

由表3可知，正交试验中激光能量密度覆盖范围为30～102 J/mm3，覆盖范围较广。图2所示为激光能量密度对试样相对密度的影响规律，由图2可知，相对密度较高的试样对应的激光能量密度主要集中在35～60 J/mm3，表明适合合金粉末SLM成形的激光能量密度在此范围。当激光能量密度较高时，试样的相对密度较小，这可能是因为激光能量高，在马兰戈尼力作用下液态金属从凹陷底部高温区向侧壁流动，在反冲力作用下熔池金属溅射出金属射流，在表面张力作用下形成熔滴飞溅。飞溅的熔滴落在金属表面影响下层铺粉，导致试样相对密度降低[8]。

图2 激光能量密度与相对密度关系

选取激光能量密度范围中较为典型的1号、3号、4号、9号、13号、14号试样进行表面分析，各试样表面典型缺陷如图3所示。由图3可知，3号和4号试样表面质量较好，这与试样较高的相对密度相符。9号、13号和14号试样中空洞和气孔较多，甚至有裂纹出现（图3（e）圆圈部分），试样具有较低的相对密度。

为探寻各工艺参数对试样相对密度的影响程度，对正交试验结果进行极差分析，极差分析结果如表4所示。由表4可知，扫描速度的R值最大为7.33，扫描宽度的R值最小为2.82，激光功率R值为6.65，R值越大表明该因素对试验结果影响越大，即扫描速度对零件相对密度影响最大，激光功率次之，扫描宽度对零件相对密度影响最小。

除极差R值外，表4中K值表示该水平对试验结果的影响，K值越大影响越大。由表4可知，激光功率中K1影响较大，扫描速度中K3影响较大，扫描宽度中K2影响较大，可以推断在试验条件下，最优工艺组合为激光功率90 W，扫描速度700 mm/s，扫描宽度0.08 mm，激光能量密度为64.29 J/mm3。采用最优工艺组合进行SLM成形，成形后相对密度为99.01%，其表面金相如图4所示。由图4可知，试样内部平整、无较大空洞和欠融合缺陷，与高相对密度的测试结果对应。

表4 极差分析 %

图4 最佳工艺组合SLM试样微观形貌

3 结束语

激光能量密度对零件相对密度影响较大，合金SLM成形最佳激光能量密度范围为35～60 J/mm3，最佳相对密度可达98.81%。较高的激光能量密度会引起熔池金属溅射，导致试样相对密度降低。正交试验结果表明，工艺参数对试样相对密度有一定影响，其中扫描速度对零件相对密度影响最大，激光功率次之，扫描宽度对零件相对密度影响最小。正交试验最优工艺组合为激光功率90 W，扫描速度700 mm/s，扫描宽度0.08 mm，其激光能量密度为64.29 J/mm3，所得试样相对密度为99.01%，表面质量良好。