激光選區(qū)熔化成形Inconel718 合金激光重熔工藝研究

郭帥東 盧 林 吳文恒 王繼芬

(1. 上海材料研究所上海3D 打印材料工程技術(shù)研究中心,上海 200437;2. 上海第二工業(yè)大學(xué) 資源與環(huán)境工程學(xué)院,上海 201209)

0 引言

激光選區(qū)熔化(selective laser melting, SLM) 技術(shù)憑借不需要過多后處理,成形件致密度高,力學(xué)性能優(yōu)異[1-2],不受成形件復(fù)雜程度的限制[3]等優(yōu)點(diǎn)成為增材制造應(yīng)用最普遍的技術(shù)之一。Inconel718是一種具有多種成分的沉淀硬化型鎳基高溫合金,包含大量的鐵、鉻和鈮, 以及少量的鋁和鈦。由于其優(yōu)異的耐腐蝕性、耐疲勞性、耐磨性、良好的可焊性及在高溫下具有較高的強(qiáng)度,它已被廣泛用于燃?xì)鉁u輪葉片、火箭發(fā)動(dòng)機(jī)、渦輪增壓器轉(zhuǎn)子和各種耐腐蝕容器等[4-6]。由SLM 成形的Inconel718 工件存在表面質(zhì)量較差、微小孔洞以及組織和性能需進(jìn)一步提升等問題,這些問題既是Inconel718 需要突破的瓶頸, 也是SLM 成形其他金屬材料存在的共性問題。國內(nèi)外研究者通過調(diào)控工藝參數(shù)的方法對SLM 成形Inconel718 合金質(zhì)量的提升進(jìn)行了一系列研究: 閆岸如等[7]研究不同激光線輸入量對SLM 成形Inconel718 合金零件致密度的影響,發(fā)現(xiàn)隨著激光線輸入量的增大,致密度先上升后下降,在激光線輸入量為300 J/m 時(shí),成形致密度最高(98.9%)。Balbaa 等[8]研究了不同工藝參數(shù)對 SLM成形Inconel718 合金致密度、粗糙度及殘余應(yīng)力的影響, 發(fā)現(xiàn)一定范圍內(nèi), 增加激光功率可以提升致密度, 超過閾值時(shí), 致密度將降低; 一般情況下, 增加激光功率會降低平均粗糙度,而增加掃描速度會增加平均粗糙度; 大多數(shù)情況下, 激光功率的提升會降低表面殘余應(yīng)力。Choi 等[9]研究了不同掃描速度對SLM 成形的Inconel718 合金零件的致密度的影響, 發(fā)現(xiàn)致密度隨掃描速度的上升, 呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢, 在 800 mm/s 時(shí)達(dá)到 99.7% 的最高值,且在此參數(shù)下獲得最佳硬度值320 HV0.5。Yi等[10]研究激光能量密度對SLM 成形Inconel718 合金組織和性能的影響, 發(fā)現(xiàn)隨著能量密度的增大,孔隙率先減小后增大, 力學(xué)性能也出現(xiàn)先提升后下降趨勢。國內(nèi)外關(guān)于通過調(diào)整激光重熔工藝參數(shù)調(diào)控SLM 成形Inconel718 合金組織和性能的研究較少。

本文研究了SLM 成形Inconel718 合金重熔激光功率、重熔掃描速度等激光重熔工藝參數(shù)對Inconel718 合金表面粗糙度、微觀組織及力學(xué)性能的影響。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試樣制備

試驗(yàn)材料采用上海材料研究所通過氣霧化法生產(chǎn)的近球形Inconel718 合金粉末, 通過LS-POP(9)型激光粒度分析儀測得粉末中值粒徑(D50) 為32.451 μm, 主要化學(xué)成分如表 1 所示, 粉末形貌如圖1 所示。

表1 Inconel718 粉末化學(xué)成分Tab.1 Chemical composition of Inconel718 powders

圖1 Inconel718 粉末形貌Fig.1 Characteristic morphology of Inconel718 powders

SLM 成形試驗(yàn)采用德國 EOS M290 金屬粉末激光熔化設(shè)備, 激光器采用最高功率為400 W 的 Yb-fibre 光纖激光器, 成形艙尺寸為250 mm×25 mm×325 mm, 激光束的光斑范圍直徑為50～150μm,掃描速度最高可達(dá)7 m/s。在SLM 成形Inconel718 合金過程中,氬氣為保護(hù)氣體,基板預(yù)熱溫度80°C,掃描n層與n+1 層時(shí)層間旋轉(zhuǎn)角為67°。SLM 設(shè)備及激光重熔原理如圖2 所示。試驗(yàn)掃描策略采用蛇形掃描策略。Inconel718 合金成形過程中加入激光重熔的工藝,即在每次激光掃描之后,在第1 次掃描的基礎(chǔ)上再進(jìn)行激光重熔,激光重熔工藝參數(shù)如表2 所示。

表2 激光重熔工藝參數(shù)Tab.2 Process parameters of the laser remelting

圖2 SLM 設(shè)備(a)、激光重熔(b)原理圖Fig.2 Principle diagram of SLM device(a),remelting(b)

1.2 試驗(yàn)方法

采用TIME3221 粗糙度儀測量試樣上表面粗糙度,試樣共計(jì)測量6 次,取平均值。對樣品縱截面進(jìn)行打磨和拋光,在光鏡下觀察拋光處理后樣品的表面形貌,并采用Image J 軟件進(jìn)行孔隙率的標(biāo)定,每個(gè)樣品測量5 次,取平均值。將樣品簡單磨拋之后,采用HV-10 維氏數(shù)字硬度計(jì)進(jìn)行顯微硬度測量,載荷砝碼為500 g,加載時(shí)間15 s,每個(gè)樣品測量5 次,取平均值。金相腐蝕采用Kallings 腐蝕液(100 mL酒精+100 mL 鹽酸+5 g 氯化銅),腐蝕45 s,試樣上表面腐蝕后利用VEGA3 SBU 型掃描電子顯微鏡觀察并分析試樣的顯微組織,對熔道中心的晶粒尺寸用Image J 軟件進(jìn)行標(biāo)定, 測量5 次, 取平均值。采用ZWICK-Z400E 型電子萬能試驗(yàn)機(jī)對重熔激光功率為200 W 和285 W 的試樣進(jìn)行拉伸試驗(yàn),每個(gè)工藝測量3 次,取平均值。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 激光重熔工藝參數(shù)對表面粗糙度的影響

圖3 為不同激光重熔工藝對SLM 成形Inconel718 合金表面粗糙度的影響, 圖4、5 分別為不同重熔激光功率和重熔掃描速度SLM 成形Inconel718 合金表面形貌圖。由圖3(a) 可知, 隨著重熔激光功率由90 W 增至285 W,試樣表面粗糙度明顯減小, 表面質(zhì)量有所改善。結(jié)合圖4(a)～(c) 中重熔激光功率為90 、140 和200 W 時(shí)試樣表面存在的大量不規(guī)則凸出物和凹陷進(jìn)行分析: 由于在第1次掃描中存在未完全熔融的金屬粉末,它們在較低重熔激光功率下不能完全被熔化,同時(shí)較低的重熔激光功率產(chǎn)生的不穩(wěn)定熔池,可能拉動(dòng)周圍粉末進(jìn)入熔池,由未熔化的粉末產(chǎn)生的球化現(xiàn)象導(dǎo)致凸出物增多; 較低的重熔激光功率產(chǎn)生不連續(xù)的熔道是形成凹陷的主要原因。值得注意的是, 當(dāng)重熔功率從285 W 增至350 W 時(shí), 表面粗糙度上升, 這是由于在較高重熔激光功率下,能量積累,熔池不穩(wěn)定產(chǎn)生的濺射現(xiàn)象,同時(shí)高重熔激光功率下產(chǎn)生的不穩(wěn)定熔池可能吸附周圍粉末, 從而產(chǎn)生球化現(xiàn)象。由圖3(b)和圖5 可知,隨著重熔掃描速度由0.96 增至2.00 m/s,表面粗糙度逐漸上升,表面質(zhì)量變差,存在較多且體積相對較大的凸起物。主要是因?yàn)橹厝蹝呙杷俣壬仙?激光作用時(shí)間較短,熔池穿透不足,不足以熔化第1 次掃描產(chǎn)生的未熔粉末; 較高重熔掃描速度下的液態(tài)熔池對凝固致密體的潤濕性較差,使液面在表面張力作用下向熔池內(nèi)部收縮而形成球狀,成形結(jié)束后表面會出現(xiàn)金屬圓球,產(chǎn)生球化現(xiàn)象[11];同時(shí),較高掃描速度導(dǎo)致熔池中金屬液滴飛濺,落在凝固致密體表面,產(chǎn)生球化效應(yīng),從而導(dǎo)致表面粗糙度上升。因此, 在重熔激光功率為285 W,重熔掃描速度為960 mm/s 時(shí),得到最低表面粗糙度值, 為1.679μm。為了進(jìn)一步分析重熔工藝參數(shù)對表面粗糙度的影響,引入能量密度[12]:

圖3 激光重熔工藝對Inconel718 表面粗糙度的影響Fig.3 Effect of laser remelting process on the surface roughness of Inconel718

圖4 不同重熔激光功率Inconel718 表面形貌圖Fig.4 Surface morphology of Inconel718 with different remelting laser power

圖5 不同重熔掃描速度Inconel 718 表面形貌圖Fig.5 Surface morphology of Inconel718 with different remelting scanning speed

式中:E為能量密度;P為激光功率;v為掃描速度。

輸入能量密度和凝固時(shí)間對成形試樣表面粗糙度有一定影響:足夠的能量密度會使粉末充分熔化,形成穩(wěn)定熔池,保證熔體的流動(dòng)和對熔道的潤濕性;充足的凝固時(shí)間可以保證良好的潤濕效果,進(jìn)一步平滑試樣表面。因此, 為了獲得足夠的能量密度及凝固時(shí)間,較高的重熔激光功率和較低重熔掃描速度的結(jié)合,可以保證較好潤濕性的同時(shí),將第1 次掃描中產(chǎn)生的部分未熔的金屬粉末顆粒完全熔化為金屬液體,與冶金缺陷結(jié)合為凝固致密體,改善由未熔粉末產(chǎn)生的球化現(xiàn)象,表面粗糙度明顯改善[8]。

2.2 激光重熔工藝參數(shù)對微觀組織的影響

2.2.1 激光重熔工藝參數(shù)對孔隙率的影響

圖8 不同重熔掃描速度Inconel718 孔隙形貌圖Fig.8 Porosity morphology of Inconel718 with different remelting scanning speed

圖6 為不同激光重熔工藝參數(shù)對SLM 成形Inconel718 孔隙率的影響趨勢。圖7、8 分別為不同重熔激光功率和重熔掃描速度SLM 成形Inconel718合金孔隙形貌圖。隨著重熔激光功率由90 W 增至335 W, 試樣孔隙率呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢, 在200 W 時(shí)得到最小值,為0.073%。試樣孔隙率先減小是由于重熔激光功率上升,逐漸生成了尺寸合適的穩(wěn)定的熔池,對第1 次掃描中未熔融的粉末進(jìn)行了充分的熔融,填充了第1 次掃描產(chǎn)生的孔洞。但隨著重熔激光功率增高至200 W 后,產(chǎn)生不穩(wěn)定熔池,熔池劇烈作用,熔池表面張力增大,產(chǎn)生較大的固態(tài)收縮,加劇球化現(xiàn)象,從而提升了試樣的孔隙率[13];過大的重熔激光功率產(chǎn)生過燒現(xiàn)象從而金屬氣化產(chǎn)生孔洞,同時(shí)金屬氣化對熔池的反沖壓力,產(chǎn)生飛濺的現(xiàn)象也會形成孔洞。在重熔激光功率為335 W 時(shí),在較高重熔激光功率下產(chǎn)生熱應(yīng)力的積累,因此產(chǎn)生一些尺寸較小的裂紋, 如圖7(e)所示。當(dāng)重熔掃描速度由0.96 增至2.0 m/s,孔隙率逐漸增大。這是因?yàn)棰匐S著重熔掃描速度的上升,激光重熔過程中形成了不穩(wěn)定熔池,產(chǎn)生的金屬液飛濺造成孔洞等冶金缺陷; ②高掃描速度下, 熔融不足也會導(dǎo)致新孔洞產(chǎn)生。

圖6 激光重熔工藝對Inconel718 孔隙率的影響Fig.6 Effect of laser remelting process on the porosity of Inconel718

圖7 不同重熔激光功率Inconel718 孔隙形貌圖Fig.7 Porosity morphology of Inconel718 with different remelting laser power

2.2.2 激光重熔工藝參數(shù)對顯微組織的影響

對比圖9、10 可以發(fā)現(xiàn), 激光重熔工藝參數(shù)下SLM 成形Inconel718 合金橫截面胞狀組織晶粒呈網(wǎng)格狀排布,且排列緊密。不同重熔工藝下胞狀組織晶粒尺寸如表3 所示。隨著重熔激光功率由90 W上升至335 W,胞狀組織平均晶粒尺寸整體呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢。因?yàn)殡S著重熔激光功率的增大,能量不斷積累, 熔池凝固時(shí)間增加, 熔池冷卻速率降低,晶粒長大更加充分,導(dǎo)致晶粒尺寸變大[14]。隨著重熔掃描速度由0.96 增至2.0 m/s,胞狀組織的平均尺寸逐漸減小, 在 2.0 m/s 時(shí)得到最小值,為 0.41 μm。原因是重熔掃描速度過快,熔體吸收能量較少,熔池溫度較低,且液相存在時(shí)間較短,熔池快速冷卻,晶粒來不及長大而形成組織細(xì)小的晶粒[15]。

表3 激光重熔工藝參數(shù)Tab.3 Process parameters of the laser remelting

圖9 不同重熔激光功率下Inconel718 顯微組織Fig.9 Microstructure of Inconel718 with different remelting laser power

2.3 激光重熔工藝參數(shù)對力學(xué)性能的影響

2.3.1 激光重熔工藝參數(shù)對顯微硬度的影響

圖11 為不同激光重熔工藝下成形Inconel718試樣的顯微硬度。由圖11(a)可以看出,隨著重熔激光功率由90 W 增增至200 W,試樣的顯微硬度逐漸增大,且在重熔激光功率為200 W 時(shí)顯微硬度最高,為306.58 HV。適當(dāng)提升重熔激光功率使粉末得到充分熔化, 產(chǎn)生良好的冶金結(jié)合, 孔隙率有所改善,顯微硬度提升;重熔激光功率由200 W 增至335 W,顯微硬度降低: 此時(shí)重熔激光功率過大產(chǎn)生的胞狀組織粗化和孔洞、裂紋是導(dǎo)致顯微硬度逐漸下降的主要原因。由圖11(b)可以看出,顯微硬度隨著重熔掃描速度的上升而逐漸下降。主要是因?yàn)殡S著重熔掃描速度的增加,試樣的孔洞等缺陷增多,孔隙率提升, 導(dǎo)致顯微硬度有所下降。結(jié)合顯微組織和缺陷對顯微硬度的變化進(jìn)行分析,可以看出顯微硬度并不是隨著顯微組織或缺陷而產(chǎn)生單一的線性變化,顯微組織和缺陷都是硬度改變的因素。

圖11 激光重熔工藝對Inconel718 的顯微硬度的影響Fig.11 Effect of laser remelting process on the microhardness of Inconel718

2.3.2 激光重熔工藝參數(shù)對拉伸性能的影響

為進(jìn)一步優(yōu)化工藝參數(shù), 選出最佳重熔工藝參數(shù),對重熔激光功率為200 W 和285 W 的試樣進(jìn)行拉伸試驗(yàn),結(jié)果如表4 所示。根據(jù)結(jié)果分析,兩者相差不大,與285 W 相比,在重熔激光功率為200 W 時(shí)表現(xiàn)出較高的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度,但其斷后伸長率和斷面收縮率相對較低。根據(jù)Hall-Petch 公式[16]:

表4 不同激光重熔工藝對應(yīng)的拉伸性能參數(shù)Tab.4 Tensile property parameters corresponding to different laser remelting processes

式中:σi為抗拉強(qiáng)度或屈服強(qiáng)度;σ0為應(yīng)力常量;K為常數(shù);d為平均晶粒尺寸。由式(2) 可知, 在重熔激光功率為200 W 時(shí),晶粒較為細(xì)小,因此試樣有較高的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度。圖12 分別為重熔激光功率為200 W 和285 W 的拉伸斷口形貌,斷口表面可以看到大量韌窩,表現(xiàn)出典型的韌性斷裂的特征。圖12(a)、(b)斷口表面都存在一定的微小孔洞及裂紋,圖12(a)中可以看到一些較小的韌窩,且存在較多的纖維狀組織,微孔和微裂紋分布在纖維狀組織周圍;圖12(b)中可以看出285 W 時(shí),存在相對較多和較大的裂紋和孔洞,這些微孔和裂紋的存在會急速擴(kuò)展聚集, 導(dǎo)致試樣的斷裂[17], 所以抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度相對較低。但是韌窩相對于200 W 時(shí)較大較深,因此表現(xiàn)出相對較好的塑性。綜上,重熔功率為200 W 時(shí),力學(xué)性能相對較好。

圖12 不同激光重熔工藝參數(shù)下Inconel718 拉伸斷口形貌Fig.12 Tensile fracture morphologies of Inconel718 with different laser remelting process parameters

3 結(jié) 論

本文研究了不同激光重熔工藝參數(shù)對SLM 成形Inconel718 表面粗糙度、微觀組織和力學(xué)性能的影響,并分析了其影響機(jī)理,結(jié)論如下:

(1) 不同激光重熔工藝參數(shù)對SLM 成形Inconel718 表面粗糙度影響很大,隨著重熔激光功率的增大,Inconel718 表面粗糙度先變小后變大;在重熔激光功率為285 W 時(shí),得到最小值1.679μm;隨著重熔掃描速度的上升,Inconel718 表面粗糙度上升。

(2)不同激光重熔工藝參數(shù)對微觀組織產(chǎn)生一定影響,隨著重熔激光功率增加,孔隙率先變小后變大,胞狀組織晶粒尺寸逐漸增大;隨著重熔掃描速度的增加,孔隙率增大,胞狀組織晶粒尺寸減小。

(3) 工藝優(yōu)化后, 重熔激光功率為200 W, 重熔掃描速度為960 mm/s 時(shí), 試樣表面粗糙度為2.596μm,孔隙率為 0.073%,晶粒尺寸為 0.63 μm,顯微硬度為306.58 HV,抗拉強(qiáng)度為1 078 MPa,屈服強(qiáng)度為817 MPa,相對最優(yōu)。