激光選區(qū)熔化成型316L不銹鋼工藝參數(shù)研究

徐凱池 ，王 科 ，徐如雪 ，沈 喆

（1.中國航發(fā)沈陽發(fā)動(dòng)機(jī)研究所，沈陽 110015；2.西北工業(yè)大學(xué)力學(xué)與土木建筑學(xué)院，西安 710129；3.空軍裝備部駐沈陽地區(qū)第二軍事代表室，沈陽 110043）

0 引言

316L 不銹鋼屬于一種奧氏體不銹鋼材料，其成分中含有一定的Cr、Ni 元素，具有良好的塑性和耐磨性，被廣泛應(yīng)用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)零件的制造。隨著航空技術(shù)的不斷發(fā)展，內(nèi)部零件的形狀與結(jié)構(gòu)日趨復(fù)雜，采用傳統(tǒng)的機(jī)械加工方法難以滿足航空發(fā)動(dòng)機(jī)復(fù)雜零部件的制造要求。因此，研發(fā)新的制造技術(shù)已成為當(dāng)今研究熱點(diǎn)。

激光選區(qū)熔化（Selective Laser Melting，SLM）技術(shù)屬于增材制造的一種，其成型原理是將設(shè)計(jì)的3 維模型離散化，通過逐層疊加的方法，形成3 維金屬零件。與傳統(tǒng)制造技術(shù)相比，采用SLM 工藝不僅能制造出具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)的零件，而且所制零件與冶金能良好地結(jié)合，致密度接近100%。該工藝在航空、航天、醫(yī)療和模具工業(yè)得以擴(kuò)展應(yīng)用。但由于SLM 零件是通過點(diǎn)、線、面、體構(gòu)造成型的，其表面質(zhì)量存在一定的缺陷，內(nèi)部存在氣孔和未完全熔化的粉末顆粒，極大地影響了零件性能。激光工藝參數(shù)作為目前影響SLM 零件成型質(zhì)量的主要因素之一，對(duì)零件的打印質(zhì)量和性能產(chǎn)生極大地影響，因此，探討工藝參數(shù)對(duì)成型零件質(zhì)量和性能的影響規(guī)律從而確定最優(yōu)工藝參數(shù)至關(guān)重要。程博等研究了SLM 激光功率和掃描速度對(duì)18Ni-300 成型件表面質(zhì)量和致密度及硬度的影響規(guī)律，表明隨著激光掃描速度提高，零件表面熔道球化效應(yīng)加劇，孔隙缺陷增多，致密度降低；當(dāng)激光功率增大時(shí)，熔道重熔區(qū)域增大，致密度和硬度沒有明顯變化。Salem 等分析了激光功率和掃描速度等工藝參數(shù)對(duì)Ti6Al4V 合金B(yǎng)CC 晶格網(wǎng)架結(jié)構(gòu)的影響，表明在激光功率較低條件下，隨著掃描速度的提高，晶格網(wǎng)架尺寸減?。辉谥械燃す夤β剩?00 W）下，晶格網(wǎng)架尺寸逐漸減小，直至掃描速度達(dá)到2400 mm/s 時(shí)，晶格網(wǎng)架尺寸不再發(fā)生變化；在激光功率較大（250、300 W）時(shí)，在不同的掃描速度下晶格網(wǎng)架尺寸存在一定的波動(dòng)。高飄等通過分層厚度對(duì)Ti-5Al-2.5Sn合金試樣致密度、顯微組織和力學(xué)性能的影響進(jìn)行了分析，表明在其他工藝參數(shù)一定的條件下，當(dāng)分層厚度小于40 μm 時(shí)，能量密度降低，致密度提高；當(dāng)分層厚度大于40 μm 時(shí)，隨著能量密度的降低，致密度呈現(xiàn)先提高后降低的趨勢(shì)。Ansari等通過建立多物理數(shù)值模型和模擬SLM 過程，確定了不同掃描速度下AlSi10Mg 金屬粉末的工藝參數(shù)組合，并分析了激光功率和光斑直徑對(duì)溫度的影響。

目前對(duì)SLM 成型316L不銹鋼工藝的研究主要集中于工藝參數(shù)對(duì)內(nèi)部孔隙的影響，很少涉及工藝參數(shù)對(duì)316L不銹鋼表面質(zhì)量和尺寸精度的影響。而316L不銹鋼作為航空航天領(lǐng)域中廣泛使用的金屬材料，其打印質(zhì)量和精度是能長期使用的必要前提。本文針對(duì)SLM 工藝成型316L 不銹鋼，重點(diǎn)研究了激光功率和掃描速度對(duì)成型零件表面粗糙度、致密度、硬度和尺寸偏差的影響。

1 試驗(yàn)及方法

1.1 試驗(yàn)材料

在SLM 試驗(yàn)中采用中航邁特生產(chǎn)的氣霧化316L不銹鋼粉末，其微觀形貌如圖1所示，化學(xué)成分見表1。粉末粒徑為15~53 μm，粉末松裝密度為4.24 g/cm。

圖1 316L不銹鋼粉末的微觀形貌（1000倍）

表1 316L不銹鋼粉末的質(zhì)量分?jǐn)?shù) wt/%

1.2 試驗(yàn)設(shè)備與工藝參數(shù)

利用HBD 280設(shè)備進(jìn)行試驗(yàn)，該設(shè)備采用500 W的IPGYLR-200光纖激光器，波長為1070 nm，最大成型空間為250 mm×250 mm×300 mm。為進(jìn)一步掌握工藝參數(shù)對(duì)成型零件性能的影響規(guī)律，采用單因素條件變量分析法進(jìn)行性能分析。利用成型工藝參數(shù)見表2，采用掃描方向逐層改變67°的條形掃描策略如圖2（a）所示，成型10 mm×10 mm×10 mm的小方塊如圖2（b）所示。

表2 選擇性激光熔化成型工藝參數(shù)

圖2 掃描方向逐層改變67°的條形掃描策略

1.3 試驗(yàn)方法

采用阿基米德排水法測(cè)量計(jì)算成型試樣的致密度。對(duì)成型試樣進(jìn)行鑲嵌磨拋后，使用LEICA DMi8金相顯微鏡（Optical Microscope，OM）觀察樣件內(nèi)部孔隙情況。打印試樣的表面粗糙度，使用Olympus 的OLS4100 激光共聚焦顯微鏡進(jìn)行測(cè)量。利用千分尺分別測(cè)量試樣在、、方向的尺寸，對(duì)每個(gè)試樣在各方向測(cè)量3 次求平均值并計(jì)算出尺寸偏差。應(yīng)用Di?giRock DR3洛氏硬度儀測(cè)量試樣的表面硬度，在拋光后的試樣表面重復(fù)測(cè)量10 次求平均值。依據(jù)GB/T 228-2010 設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)成型的棒狀試樣(如圖3 所示)用于拉伸試驗(yàn)。應(yīng)用C51.105 型電子萬能試驗(yàn)機(jī)在室溫下測(cè)量，沿試樣軸向拉伸，拉伸速率為5 mm/min。在拉伸試驗(yàn)完成后，采用QUANTA 掃描電鏡（Scan?ning Electron Microscope，SEM）對(duì)斷口形貌進(jìn)行觀察和分析。

圖3 拉伸試樣尺寸

2 結(jié)果與討論

2.1 工藝參數(shù)對(duì)致密度和硬度的影響

圖5 掃描速度對(duì)致密度和硬度的影響

316L 不銹鋼合金試樣致密度和硬度隨激光功率和掃描速度變化的結(jié)果如圖4、5 所示。從圖中可見，當(dāng)其他工藝參數(shù)一定的情況下，隨著激光功率和掃描速度的提高，試樣的致密度呈先增大后減小的趨勢(shì)，分別在功率為300 W 和掃描速度為1000 mm/s 時(shí)，致密度達(dá)到最高值。試樣的上表面硬度與致密度表現(xiàn)出相同的變化規(guī)律。

圖4 激光功率對(duì)致密度和硬度的影響

產(chǎn)生此現(xiàn)象的原因主要是因?yàn)楣に噮?shù)變化時(shí)影響了內(nèi)部能量密度的變化，從而導(dǎo)致試樣性能的變化

式中：為激光功率；為掃描速度；為掃描間距；為層厚。

在掃描間距和層厚一定的情況下，當(dāng)激光功率較低或掃描速度較高時(shí)，功率密度減小，激光穿透能力減弱，難以使粉末充分熔化，形成了大量的孔隙缺陷，影響了試樣性能，導(dǎo)致表面硬度減小。當(dāng)激光功率較高或掃描速度較低時(shí)，能量密度過大導(dǎo)致粉末被過度燒蝕，形成的不規(guī)則孔隙缺陷（如圖6 所示），減小了試樣的致密度。由于孔隙分布不均勻，使測(cè)試樣硬度存在較大偏差。此外，試樣內(nèi)部孔隙越多，硬度儀壓頭越容易壓入試樣內(nèi)部，硬度值越小。

圖6 激光功率為325 W的316L試樣光學(xué)形貌

2.2 工藝參數(shù)對(duì)表面粗糙度和組織的影響

激光功率和掃描速度對(duì)316L 不銹鋼合金試樣表面粗糙度的影響如圖7、8 所示。從圖中可見，在其他工藝參數(shù)一定的情況下，隨著激光功率和掃描速度的提高，試樣上表面粗糙度呈先減小后增大的趨勢(shì)，分別在功率為300 W 和掃描速度為1000 mm/s 時(shí)，表面粗糙度達(dá)最低值為11.882 μm，如圖9（a）所示。

圖7 激光功率對(duì)316L不銹鋼合金試樣表面粗糙度的影響

圖8 掃描速度對(duì)316L不銹鋼合金試樣表面粗糙度的影響

影響表面粗糙度的主要因素是熔道之間的搭接狀態(tài)。在相同的掃描間距條件下，當(dāng)激光功率較低時(shí)，能量密度減小，造成大量未熔化粉末堆積，熔道搭接不理想，影響了層間結(jié)合狀態(tài)，增大了表面粗糙度（圖9（a））；隨著激光功率的提高，熔化粉末增多，熔道之間形成較好搭接，表面粗糙度減??；當(dāng)激光功率過高時(shí)，所形成熔道被過度燒蝕，形成燒蝕孔隙，所形成熔道沿熔道中心向熔道邊緣塌陷，導(dǎo)致熔道過度堆疊，影響了表面成型質(zhì)量，如圖9（c）所示。當(dāng)掃描速度較低時(shí)，激光作用于粉末上的時(shí)間增加，使熔池內(nèi)部處于湍流狀態(tài)，產(chǎn)生大量飛濺顆粒，增大了試樣表面粗糙度；當(dāng)掃描速度較高時(shí)，雖然激光作用于粉末上的時(shí)間較短，但過高的掃描速度易造成成型室內(nèi)的粉末飛濺，影響了試樣的表面成型狀態(tài)。因此，當(dāng)能量密度適中時(shí)，熔道平行度較高，試樣成型狀態(tài)好，如圖9（b）所示。

圖9 不同工藝參數(shù)試樣的上表面形貌（250倍）

不同工藝參數(shù)試樣的縱截面SEM 如圖10 所示。從圖中可見，試樣的晶粒尺寸隨所應(yīng)用的SLM 成型工藝參數(shù)的變化而變化。當(dāng)激光功率較低時(shí)，能量密度減小，熔池冷卻速率增大，晶粒尺寸減小，晶粒逐漸細(xì)化；當(dāng)激光功率較高時(shí)，能量密度增大，熔池溫度升高，為晶粒生長提供足夠能量，促進(jìn)了晶粒增長（圖10（b））。

圖10 不同工藝參數(shù)試樣的縱截面SEM成型（4萬倍）

2.3 工藝參數(shù)對(duì)尺寸精度的影響

激光功率和掃描速度對(duì)316L 不銹鋼合金試樣尺寸偏差的影響如圖11、12 所示。在掃描速度較低時(shí)，引起的方向尺寸誤差的變化較大，而隨著掃描速度的提高，尺寸偏差逐漸減小，、和方向的尺寸誤差逐漸趨于平穩(wěn)，整體呈現(xiàn)收縮趨勢(shì)。當(dāng)掃描速度提高至1100 mm/s 以上時(shí)，尺寸偏差再次增加，因掃描速度過高，導(dǎo)致層間不良。隨著激光功率的提高，、和方向的尺寸誤差迅速變大，由于功率提高，使粉末熔化程度增加，導(dǎo)致收縮效應(yīng)更強(qiáng)，尺寸誤差變化更大。

圖11 激光功率對(duì)316L不銹鋼合金試樣尺寸偏差的影響

圖12 掃描速度對(duì)316L不銹鋼合金試樣尺寸偏差的影響

2.4 優(yōu)化工藝的試樣性能

通過上述對(duì)工藝參數(shù)的研究，在激光功率為300 W，掃描速度為1000 mm/s，掃描間距為0.1 mm的優(yōu)選工藝參數(shù)下進(jìn)行SLM 試驗(yàn)。在優(yōu)選工藝下打印的316L不銹鋼試樣在SEM下的顯微組織如圖13所示。從圖中可見，內(nèi)部組織主要為柱狀晶和胞狀晶，熔池內(nèi)部可見明顯的晶界（白色虛線）。胞狀晶主要分布于熔池內(nèi)部（如圖13（b）所示），柱狀晶主要分布于熔池邊緣，其生長方向主要沿熔池內(nèi)部最大溫度梯度方向生長（如圖13（c）所示）。在優(yōu)選工藝下樣件的力學(xué)性能見表3。從表中可見，316L試樣的上表面和側(cè)表面的硬度存在明顯差異，側(cè)表面硬度高于上表面的，HRB達(dá)到98.62。沿水平方向構(gòu)建的棒狀拉伸試樣的應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖14所示。試樣的拉伸性能為753 MPa，延伸率達(dá)到24.6%。為進(jìn)一步了解316L不銹鋼的斷裂機(jī)理，在不同SEM倍率下觀察拉伸斷口，宏觀斷口如圖15（a）所示。從圖中可見，拉伸斷口主要由纖維區(qū)和剪切唇組成，表面可見大小不同的韌窩孔洞，呈現(xiàn)韌性斷裂特征。在高倍SEM觀察中，斷口表面存在大量的韌窩晶格，韌窩晶格尺寸較小，存在明顯起伏，其形狀呈不完全等軸狀，如圖15（b）所示。

圖13 316L不銹鋼試樣的顯微組織

表3 優(yōu)選工藝下試樣的力學(xué)性能

圖14 316L不銹鋼拉伸試樣的應(yīng)力-應(yīng)變曲線

圖15 316L不銹鋼試樣的拉伸斷口形貌

3 結(jié)論

（1）在激光功率較低或掃描速度較高時(shí)，能量密度過小，不足以使粉末完全熔化，層間缺陷較多，致密度減小，表面硬度降低；在激光功率較高或掃描速度較低時(shí)，能量密度過大，產(chǎn)生過度燒蝕孔隙，使試樣的孔隙率提高，表面硬度降低；

（2）在激光功率較低或掃描速度較高時(shí)，導(dǎo)致大量粉末堆積，影響了層間結(jié)合狀態(tài)，表面出現(xiàn)明顯的球化現(xiàn)象，表面粗糙度增加；在激光功率較高或掃描速度較低時(shí)，熔道塌陷變形，導(dǎo)致試樣表面凹凸不平，表面粗糙度增加；

（3）相對(duì)于掃描速度，激光功率對(duì)于試樣、、方向的尺寸偏差影響更為顯著；

（4）優(yōu)選工藝下成型的316L 不銹鋼試樣的上表面硬度HRB 可達(dá)97.22，抗拉強(qiáng)度為753 MPa，延伸率為24.6%，表現(xiàn)出良好的宏觀塑性，成型性能良好。