体能量密度对SLM成形316L不锈钢耐腐蚀性的影响

李 鹏， 孔令华， 练国富， 黄 旭， 李 铸

(1. 福建工程学院 机械与汽车工程学院, 福建 福州 350118；2. 数字福建工业制造物联网实验室, 福建 福州 350118)

选择性激光熔化(Selective laser melting，SLM)是一种通过材料逐层叠加的方式直接制造实体零件的增材制造技术[1-2]，德国的Fraunhofer研究所最早研发出SLM技术[3]，它是利用金属粉末在激光束的热作用下完全熔化后，经冷却凝固制造出复杂几何形状的部件。它直接将三维模型打印成形，大大提高了零件的生产效率，避免了利用模具这种费时费力的生产模式，材料利用率高且省去了后续处理工艺，能够制造传统机加工方式难以成形的复杂形状的金属零部件，在医疗、食品、汽车、航天、航海和模具等[4-8]领域应用广泛。

虽然不锈钢有着较强的耐腐蚀性，但是在一定的恶劣工况下，例如化工厂、海洋装备对其耐腐蚀性的需求更高，因此需要采用一种新的工艺来进一步提高不锈钢零件的耐腐蚀性，SLM在零部件加工制造方面有突出的优势，但是成形件的性能与其工艺参数有着密切的关系，激光功率、扫描速度、扫描间距和铺粉厚度等因素对316L不锈钢成形件的组织和性能有巨大的影响[9]。Pan等[10]通过拉伸试验获得了316L不锈钢SLM和SLR(Selective laser remelting)工艺样品的力学性能。结果表明，SLM和SLR工艺改变了316L不锈钢的力学性能。与冷轧工艺相比，三维零件没有明显的屈服阶段和应力强化阶段。激光工艺参数对刚度影响不大，但对3D零件的强度和塑性影响较大，试样的塑性普遍低于轧制的316L不锈钢。Bajaj等[11]介绍了不同种类的钢在熔融基调幅工艺后的组织、性能及其应用，得出调幅钢(主要是不锈钢)的耐腐蚀性通常优于常规材料，这主要基于精细的微观结构，或特殊的织构和双相不锈钢的性质。Cherry等[12]利用SLM技术研究了激光能量密度对316L不锈钢性能的影响，结果表明，孔隙率增加导致材料硬度降低。从低能量密度的小球特征到高能量密度的大小球特征的混合。宗学文等[13]研究了激光选区熔化316L不锈钢的表面形貌，结果表明，随着体激光能量密度的增加，相邻熔道及上下成形层能够较好搭接，空隙和微孔等缺陷逐渐消除，同时熔池断续减少，熔池宽度逐渐由小变大。崔静等[14]研究了300M钢激光熔覆316L不锈钢修复层的组织与性能，熔覆之后硬度提升，且在激光功率为1.5 kW时与基体呈现冶金结合，此时的耐腐蚀性最好。韩晨阳等[15]研究了激光熔覆镍基合金磨损及电化学腐蚀性，在304表面熔覆镍基涂层后，硬度、耐磨性和耐腐蚀性均有较大提升。Lavender[16]为了对比零件质量，将增材制造与传统技术进行比较，研究了SLM零件的特征质量，观察了其显微组织。光学显微镜显示特征质量随着特征尺寸而增加。将打印参数优化后可生产综合性能更优的零部件。当SLM成形金属材料在一些严苛环境下服役时，如果按照传统方式加工的零部件使用，可能就会导致腐蚀失效，最终会影响到金属材料的性能，带来巨大的损失。

现有的研究大多集中在分析工艺参数对SLM 316L不锈钢成形质量的影响，采用体能量密度研究工艺参数对其耐腐蚀性能影响的报道较少，体能量密度可以表征4个成形参数对成形件的共同作用，更加体现基本物理参数对于成形件性能的影响。因此本文以SLM 316L不锈钢成形件为研究对象，研究了不同的体能量密度对其表面耐腐蚀性能的影响，为SLM不锈钢成形件的耐腐蚀性能研究提供理论支持。

1 试验材料与方法

1.1 试验材料及设备

本试验采用真空气雾化生产的316L不锈钢粉末为原料，粉末粒径分布为10～45 μm，其化学成分见表1，微观形貌见图1，使用SLM 125HL(SLM Solutions GmbH)机器来打印样品。该机器配备了波长为1064 nm，最大功率400 W的IPG光纤激光器，所能加工零件的最大尺寸为125 mm×125 mm×125 mm，并使用氩气作为保护气体。试验所用设备有：金相研磨抛光机(UNIPOL-820)观察表面形貌的光学显微镜(MR5000)和台式扫描电镜(TM3030 PLUS)，清洗样品的超声波清洗机(JP-010T)及电化学工作站(CHI760E)测量SLM 316L不锈钢成形件在腐蚀介质3.5wt%NaCl溶液中的开路电位、动电位极化曲线和交流阻抗谱曲线。

表1 316L不锈钢粉末的化学成分 (质量分数，%)

图1 316L不锈钢粉末的微观形貌Fig.1 Microscopic morphology of the 316L stainless steel powder

1.2 试验方案及工艺参数选取

首先用试验筛对316L粉末过筛，去除316L粉末中的杂质，将过筛后的粉末通过烘干箱进行干燥处理。影响SLM成形试样性能的因素比较多，最主要的影响参数为：激光功率、扫描速度、扫描间距和铺粉厚度等。本文选择固定的铺粉厚度0.05 mm，采用不同的激光功率、扫描间距和扫描速度来设计试验，采用3因素3水平正交试验，试验因素及因素水平如表2所示，正交试验工艺方案如表3所示。

表2 正交试验因数水平表

SLM工艺体能量密度与工艺参数关系见式(1)：

(1)

式中：E为单位体积的能量密度，J/mm3；P为激光功率，W；d为扫描间距，mm；v为扫描速度，mm/s；L为切片层厚度，mm。

表3 SLM工艺方案

将打印出来的316L不锈钢成形试样用线切割技术切取10 mm×10 mm×10 mm试样，随后用无水乙醇在超声波清洗机中进行清洗，去除表面的油污后自然风干，将试样表面用砂纸逐级打磨至2500目，用金相抛光机抛光至镜面，配置王水腐蚀20 s后制备金相试样，用SEM观察其表面的微观组织。在其镜面的对面上用电烙铁和焊锡丝焊接一根导线，再用树脂进行镶嵌，最后通过万用表检测导线与试样是否联通，为电化学试验做准备，之后用铂片电极作为辅助电极，饱和甘汞电极作为参比电极，试样作为工作电极，配制质量分数为3.5%NaCl溶液作为腐蚀介质，分别测试上述试样的开路电位、动电位极化曲线和交流阻抗谱曲线。

2 试验结果与讨论

2.1 工艺参数对微观组织的影响

SLM成形件的金属材料表面最常见的缺陷形式包括孔洞、裂纹、球化等，其工艺参数的变化将会对微观组织产生明显的影响，激光功率偏小会使试样表面产生明显的孔洞现象，激光功率偏大试样表面会在孔洞的基础上产生“球化”，扫描速度过小试样表面产生“球化”，扫描速度过大则会使样品致密度变小，产生裂纹和孔洞[17]，从而影响成形件的力学性能和耐腐蚀性能等。图2是SLM成形316L不锈钢的微观组织，从图2(a～c)可以看出，随着体能量密度的减小，试样表面的孔洞和气孔的数量逐渐增加，且分布越来越均匀，试样S3的体能量密度最小，为31.75 J/mm-3，造成这种现象的原因是由于激光功率过小、扫描速度过快且扫描间距过大导致体能量密度过小；试样S5的体能量密度为59.52 J/mm-3，如图2(e)所示，表面气孔分布均匀，气孔之间的间距明显增大，且气孔的直径相比于样品S3也要小，这是因为适当提高了激光功率、减慢扫描速度和减小扫描间距使得体能量密度增加的原因。其余微观组织中，适当提高体能量密度后，试样表面的气孔和孔洞等缺陷会减少，如图2(h)所示，当体能量密度过高时，如图2(g)所示，试样S7的体能量密度为75 J/mm-3，试样吸收的能量较多会导致过烧现象，表面也会出现较多的缺陷。

图2 不同工艺参数成形SLM 316L不锈钢样品的显微组织Fig.2 Microstructure of SLM 316L stainless steel specimens formed by different process parameters(a) S1; (b) S2; (c) S3; (d) S4; (e) S5; (f) S6; (g) S7; (h) S8; (i) S9

2.2 工艺参数对耐腐蚀性的影响

利用CHI760E电化学工作站在三电极体系中测试SLM成形9块样品在3.5%NaCl溶液中的开路电位、动电位极化曲线和交流阻抗谱曲线，动电位极化曲线是以电位作为自变量，持续扫描一定范围的电位区间，获得工作电极在这个区间内的极化曲线。利用动电位极化曲线可以分析腐蚀过程的性质和影响因素[18]，一般情况下，钝化膜的电荷转移电阻可以用阻抗弧半径来表示，样品的阻抗弧半径越小，电荷转移电阻越差，可以进一步说明试样的耐腐蚀性较差[19]。

开路电位测试结果如表4所示，图3是SLM成形9块样品在3.5%NaCl溶液中的动电位极化曲线，从图3可以看出，不同工艺参数成形的9块样品的极化曲线体现了316L不锈钢的自钝化过程，有明显的钝化区域，首先随着电位的增加，在其表面形成一层耐腐蚀的钝化膜，进入钝化区，接着电位慢慢增加，进入过钝化区，导致其表面的钝化膜被击破，腐蚀加剧导致电流密度增大，说明SLM成形316L不锈钢试样有一定的抗腐蚀能力，根据极化曲线可以得到9块样品的自腐蚀电位值，见表4，分别是-0.4528、-0.5277、-0.5312、-0.5643、-0.5208、-0.3707、-0.4755、-0.4213和-0.4475 V (vs SCE, 下同)。因为SLM工艺参数的不同，对其自腐蚀电位的影响也不尽相同，其中试样S6的自腐蚀电位最大为-0.3707 V，试样S4的自腐蚀电位最小为-0.5643 V。

表4 SLM 316L成形件在3.5%NaCl溶液中的开路电位及自腐蚀电位

图3 不同工艺参数成形SLM 316L不锈钢样品在3.5%NaCl溶液中的极化曲线Fig.3 Polarization curve of the SLM 316L stainless steel specimens formed by different process parameters

图4是SLM成形9块试样在3.5%NaCl溶液中的阻抗谱曲线，阻抗谱曲线的半径越大，意味着其耐腐蚀性越好，如图4所示，试样S6的阻抗谱半径最大，其耐腐蚀性最好，试样S4的阻抗谱半径最小，其耐腐蚀性最差，阻抗谱曲线的结果与动电位极化曲线的结果吻合。

表5为极差分析计算结果，可以清晰地反映出SLM工艺参数对耐腐蚀性的影响趋势[3]，对成形件的耐腐蚀性能影响大小的次序为激光功率、扫描间距、扫描速度。

表5 极差分析计算结果

图5 SLM工艺参数对316L不锈钢成形件在3.5wt%NaCl溶液中的自腐蚀电位的影响Fig.5 Influence of SLM process parameters on self-corrosion potential of the 316L stainless steel parts in 3.5wt% NaCl solution

图5给出了SLM成形工艺参数对于316L成形件在3.5%NaCl溶液中的自腐蚀电位的影响，由图5(a)可知，激光功率在200～300 W之间时，成形件的自腐蚀电位随着激光功率的增大而增大，在增材制造过程中，金属粉末吸收的能量与激光功率成正比，在一定范围内，其吸收的能量越高，粉末融化的就越彻底，因此表面形成的裂纹、孔洞等缺陷就越少，耐腐蚀性就更好。体能量密度与激光功率成正比。

由图5(b)可知，扫描间距在0.10～0.14 mm之间时，自腐蚀电位随着扫描间距的增大而增大，扫描间距在SLM工艺参数中是影响工件质量的重要参数之一，体能量密度与扫描间距成反比，当扫描间距过小时，体能量密度较大，导致熔道搭接区域过多，此时层层累积之后导致表面粗糙度过大，产生一些缺陷而影响其自腐蚀电位，从而导致耐腐蚀性不好。当扫描间距过大时，体能量密度较小，导致熔道之间搭接较少甚至没有搭接，层层累积之后会产生孔洞等缺陷。

由图5(c)可知，扫描速度在700～800 mm/s之间时，自腐蚀电位随着扫描速度增大呈现增大趋势，扫描速度在800～900 mm/s之间时，自腐蚀电位随着扫描速度增大呈现减小趋势，由于体能量密度与扫描速度成反比，当扫描速度过慢时，体能量密度较大，熔池吸收的能量比较多，由此金属粉末受到激光作用时间较长，成形件表面的缺陷就比较少，耐腐蚀性比较好。当扫描速度过快时，体能量密度较小，熔池吸收的能量比较少，金属粉末不能完全融化在熔池中，由此导致出现比较明显的缺陷，自腐蚀电位比较小，耐腐蚀性不好。在此次试验中当扫描速度在800 mm/s时自腐蚀电位最高，验证了这个结论。

图6给出了体能量密度对SLM成形316L不锈钢自腐蚀电位的影响，当体能量密度在31.75～44.64 J/mm3时，试样的自腐蚀电位呈现逐渐增大的趋势，最优体能量密度为44.64 J/mm3，此时的自腐蚀电位最大为-0.3707 V，最优参数为激光功率P=250 W，扫描间距d=0.14 mm，扫描速度v=800 mm/s。当体能量密度大于60 J/mm3时，试样的自腐蚀电位变化不大。当体能量密度在55.56～59.52 J/mm3时，自腐蚀电位整体较低，且无规律变化，即使试样的体能量密度相同时，自腐蚀电位也不一样，耐腐蚀性能也不一样。试样S4和S8的体能量密度虽然都是55.56 J/mm3，但是自腐蚀电位却相差巨大，S4和S8试样的自腐蚀电位分别是-0.5643 V和-0.4213 V，结合图2的组织可以看出，S4试样表面的缺陷比S8试样的多且更加复杂，容易形成更多具有电势差的原电池组，加速腐蚀过程，因此耐腐蚀性要差。图7给出了试样S4中的缺陷微观形貌，包括孔洞和裂纹，这是由于316L不锈钢粉末在激光作用下融化凝固和冷却速度极快导致[20]。

图6 体能量密度对SLM 316L不锈钢成形件自腐蚀电位的影响Fig.6 Effect of bulk energy density on self-corrosion potential of the SLM 316L stainless steel parts

图7 S4试样中的裂纹及未熔缺陷Fig.7 Cracks and unmelted defects in the S4 specimen

3 结论

1) 通过正交试验，结合SLM 316L不锈钢成形件的微观形貌和其在电化学试验中的结果可知，SLM 316L不锈钢成形件的表面成形质量对其耐腐蚀性有较大影响，表面缺陷的种类和数量越多，耐腐蚀性越差。体能量密度为44.64 J/mm-3时，SLM 316L不锈钢成形件的自腐蚀电位最高，组织表面的气孔等缺陷相对较少，耐腐蚀性最好；当体能量密度过大或过小时，成形件表面的气孔和孔洞等缺陷较多，自腐蚀电位减小，耐腐蚀性变差。

2) 激光功率、扫描间距和扫描速度对SLM 316L不锈钢成形件的耐腐蚀性能影响的次序为：激光功率>扫描间距和扫描速度(扫描间距和扫描速度同等重要)。最佳的工艺参数组合为激光功率250 W，扫描间距0.14 mm，扫描速度800 mm/s。