激光選區(qū)熔化316L不銹鋼的摩擦磨損與耐腐蝕性能研究

王耀程，魯志杰，李德香，呂笑文，劉葉誠，徐志彪

（五邑大學 軌道交通學院，廣東 江門 529020）

增材制造技術，俗稱3D打印，以數(shù)字模型文件為基礎，通過軟件與數(shù)控系統(tǒng)將專用的金屬材料、非金屬材料以及醫(yī)用生物材料按照擠壓、燒結、熔融、光固化、噴射等方式逐層堆積以制造出實體物品. 增材制造技術應用極為廣泛，其中激光選區(qū)熔化技術（selective laser melting，SLM）是金屬材料增材制造中的一種主要技術途徑. 該技術選用激光作為能量源，不依靠刀具、模具，按照三維CAD切片模型中規(guī)劃好的路徑在金屬粉末床層進行逐層掃描，掃描過的金屬粉末通過熔化、凝固從而達到冶金結合的效果，最終獲得與模型設計相配的金屬零件[1].

316L是316種鋼的超低碳型，具有高強度、耐腐蝕、優(yōu)異的生物相容性，在工業(yè)制造、航空航天、國防等領域中應用廣泛[2]. 此外，316L不銹鋼價格低于其他醫(yī)用合金材料，是當前使用最為廣泛的一類骨植入金屬材料，具有良好的發(fā)展前景和研究價值[3-4]. 然而，傳統(tǒng)制造316L不銹鋼的工藝在提高其強度與硬度的同時，通常以犧牲其韌性和塑性為代價[5]. 激光選區(qū)熔化成型技術（SLM）較好地解決了這一難題，也因此受到了廣泛的關注. 本文擬利用SLM制備316L不銹鋼材料，研究成型件的微觀組織、顯微硬度在水平和垂直方向上的差異，并系統(tǒng)分析其在不同載荷下的摩擦性能，以及在3.5%NaCl溶液中的電化學腐蝕性能，以期為研究SLM成型零件的質量提供數(shù)據(jù)支持.

1 實驗材料與方法

1.1 實驗材料

SLM實驗原材料為氣霧化法制備的316L不銹鋼粉末，其在Sigma300場發(fā)射掃描電鏡下的微觀形貌如圖1所示，為球形或近球形，粒徑15～53 μm，其中D10= 17.60 μm ，D50= 30.20 μm ，D90= 51.70 μm.具體化學成分見表1.

圖1 氣霧化法制備的316L粉末SEM圖

表1 316L不銹鋼粉末的化學成分

1.2 實驗方法

1.2.1 成型制備

本實驗采用EOS M290激光選區(qū)熔化系統(tǒng)對316L不銹鋼粉末進行SLM處理，成型件尺寸為50 mm × 40 mm × 25 mm. 綜合各工藝參數(shù)（如激光功率、掃描速度、掃描間距、層厚以及掃描方式）對表面質量的影響，為保證成型件的質量，經多次試驗選取的最佳SLM工藝參數(shù)為：激光功率220 kW，掃描速度1000 mm/s，分層層厚0.03 mm，光斑直徑12 mm，掃描方式為相鄰層間掃描路徑夾角為67°.

1.2.2 試樣制備

對選區(qū)激光熔化成型的316L不銹鋼塊進行線切割處理，截取40 mm × 20 mm × 5 mm 的不銹鋼試樣塊，并用400 ～ 2 000#的砂紙對其表面研磨拋光，最后，超聲清洗去除表面附著物，置于無水乙醇溶液中封存，以供后續(xù)實驗使用.

1.2.3 硬度試驗

為研究組織各向異性對硬度的影響，利用HVT-1000A型自動轉塔顯微硬度儀測量其XY面（平行面）及YZ面（垂直面）的顯微硬度，測試加載載荷5 N，保荷時間（10 s），在XY面及YZ面各隨機選取10個點測試其硬度.

1.2.4 摩擦磨損實驗

選擇直徑6 mm的 Si3N4陶瓷球作為對磨副，采用Bruker UMT-TriboLab摩擦磨損試驗機測試不同載荷下316L不銹鋼試樣的摩擦磨損行為. 試驗測試時間10 min，轉速200 r/min，法向載荷分別為3 N、5 N、10 N，進行多次重復實驗；選取試驗效果最佳的一組結果，利用Bruker-三維輪廓儀和Sigma300場發(fā)射掃描電鏡對試樣的磨損表面進行詳細的損傷分析.

1.2.5 電化學實驗

采用三電極系統(tǒng)（CHI660E，China）電化學工作站對SLM成型316L不銹鋼的電化學性能進行評估，三電極系統(tǒng)由鉑電極（CE）、飽和甘汞電極（ Hg/Hg2Cl2·飽和KCl，SCE）、工作電極（WE）組成，實驗均在室溫下3.5%NaCl溶液中進行，取25 h、50 h為不同時間節(jié)點分析其腐蝕特性.

2 結果與分析

2.1 金相組織分析

利用Axio Imager 2金相顯微鏡觀察經CuSO4+HCl+乙醇溶液腐蝕處理后的不銹鋼試樣，其金相組織如圖2所示. 由圖2-a可知，水平面上晶粒的生長形式以柱狀晶為主，上下打印層間相錯角度為67°，大大降低了水平方向的各向異性；由圖2-b所示，垂直面上形成了魚鱗狀弧形熔池的特殊界面結構，形成這種結構的原因是激光光斑能量分布不均勻（中間能量高，邊緣能量低），使得兩邊粉末熔化量較光斑中間部分少，導致熔化道冷卻后的橫截面呈現(xiàn)魚鱗狀的弧形熔池界面. 這與Nikolaos等[6]提到的金屬粉末熔化后的成型件在水平方向和垂直方向會產生組織形貌差異的結果一致.

圖2 SLM成型316L不銹鋼在水平方向（XY面）和垂直方向（YZ面）的金相組織圖

2.2 表面硬度分析

對成型后的316L不銹鋼分別進行水平面（XY面）和垂直面（YZ面）的硬度測試，結果如圖3所示. 水平面硬度最大值 253.8 HV0.5，最小值 239.6 HV0.5，平均值 245.7 HV0.5；垂直面硬度最大值241.2 HV0.5，最小值 229.6 HV0.5，平均值 235.8 HV0.5. 水平面硬度值明顯高于垂直面，原因是重力作用使得水平方向上的粉末顆粒度分布更均勻、孔隙率更小，其組織更緊密，致密度、硬度表現(xiàn)更加優(yōu)異.

圖3 SLM成型316L不銹鋼不同截面的硬度測試

2.3 摩擦學性能分析

2.3.1 摩擦系數(shù)分析

室溫條件下，法向載荷分別為3 N、5 N、10 N時，SLM成型316L不銹鋼與陶瓷球對磨10 min后，其摩擦系數(shù)變化如圖4所示：1）不同法向力作用下，摩擦系數(shù)都經歷了快速增長—逐漸降低—穩(wěn)定三個階段，這與文獻[7]中的曲線趨勢類似. 2）隨著法向力的不斷增加，曲線到達穩(wěn)定狀態(tài)的時間在延長，分別為120 s、200 s、300 s，說明不同的接觸應力下，摩擦磨損的狀態(tài)不一致. 3）相較于較高的法向力，3 N載荷的試樣在前期呈現(xiàn)較大的波動性，不過其達到穩(wěn)定狀態(tài)的時間相對最短，說明載荷的增加會降低試樣摩擦系數(shù)的波動性，但會延長其達到穩(wěn)定狀態(tài)的時間. 4）不同的法向力作用下，摩擦系數(shù)的穩(wěn)定值均在0.7～0.8，沒有明顯的差異性.

圖4 不同法向力作用下，316L不銹鋼的摩擦系數(shù)曲線

2.3.2 磨損表面分析

不同法向力作用下316L不銹鋼磨痕的三維形貌和二維輪廓如圖5所示. 由圖5-a可知，當載荷為3 N時，磨痕較為光滑，磨痕寬度約為0.5 mm；當法向載荷增加至5 N、10 N時，磨痕表面逐漸變得粗糙，磨痕寬度也隨之增加至0.6 mm和0.7 mm. 由圖5-b可知，3 N、5 N、10 N載荷對應的磨損深度分別為-3.8 μm、-5 μm、-6.8 μm. 即在磨損試驗中，隨著法向力的增加，316L不銹鋼的磨損深度和寬度均隨之增加.

圖5 不同法向力作用下，316L不銹鋼的三維形貌和二維輪廓

由磨損體積計算公式[8-9]，得到如圖6所示的不同法向載荷作用下的磨損體積和磨損率：隨著法向 載 荷 的 增 大，磨 損 率 及 磨 損 體 積 均 有 增 加，磨 損 體 積 分 別 為 10 ×10-3mm3、17 ×1 0-3mm3和30 × 10-3mm3，磨損 率分 別為 8 ×10-5mm3/(N · m)、 8.5 ×10-5mm3/(N ·m)和 12 ×10-5mm3/(N ·m). 這說明，SLM制備的316L不銹鋼試樣質地較為均勻，在一定法向力作用下表現(xiàn)出了較為穩(wěn)定的摩擦磨損性能.

圖6 不同法向力作用下，316L不銹鋼的磨損體積和磨損率變化

圖7為不同法向力作用下316L不銹鋼試樣與陶瓷球對磨磨痕的SEM圖. 從圖7中可以看出，法向力的變化對不銹鋼試樣表面的磨損形貌存在一定程度的影響. 由圖7-a可知，法向載荷3 N時，拋光處理后的表面呈現(xiàn)輕微剝離、犁溝現(xiàn)象，表面有較大的顆粒碎屑，隨著表面氧化膜的破裂和試樣表層材料的磨損，可清晰觀察到魚鱗狀熔池界面. 由圖7-b可知，法向載荷5 N時，材料表面出現(xiàn)嚴重的犁削，并形成了一個圓形的犁溝環(huán)；此時磨損機制為輕微的黏著磨損、磨粒磨損、氧化磨損和剝落. 由圖7-c可知，法向載荷10 N時，摩擦試樣表面發(fā)生了顯著的磨損損傷，磨損機制轉化為較為嚴重的黏著磨損、氧化磨損以及剝落.

圖7 不同法向力作用下，316L不銹鋼的磨痕SEM圖

2.4 電化學性能分析

對SLM成型的316L不銹鋼進行電化學性能測試，其擬合后的阻抗值如表2所示.sR為溶液電阻，pR為不銹鋼試樣阻抗值（pR值越大，鈍化膜耐腐蝕性越好）. 腐蝕25 h后，不銹鋼試樣阻抗值Rp= 74 438Ω；而腐蝕50 h后，Rp= 61026Ω.即316L不銹鋼試樣在電化學腐蝕25 h后依舊表現(xiàn)出了良好的耐腐蝕特性，但腐蝕程度隨著腐蝕時間的延長而增加.

表2 擬合的316L不銹鋼的阻抗值

采用SLM成型的316L不銹鋼在不同腐蝕時間下的阻抗曲線如圖8-a所示. 電化學腐蝕25 h后，316L不銹鋼的阻抗曲線半徑大于腐蝕50 h后的試樣，但曲線形態(tài)并無顯著差距，說明電化學腐蝕25 h后316L不銹鋼的耐電化學溶解性能更好；電化學腐蝕50 h后，316L不銹鋼耐電化學溶解性能有所下降，但依然保持了較好的水準.

極化曲線主要包括陰極區(qū)、活化區(qū)、鈍化過渡區(qū)、鈍化區(qū)和過鈍化區(qū)等5部分[10]. 金屬材料的表面在過鈍化區(qū)中會生成鈍化膜；繼續(xù)增加電位，陽極電流密度變化較?。豢筛鶕?jù)該區(qū)域的寬度來判斷材料的耐腐蝕性能，該區(qū)域寬度越寬，材料耐蝕性越好[11]. 采用SLM成型的316L不銹鋼試樣在不同腐蝕時間下的極化曲線如圖8-b所示，對極化曲線進行擬合，得到316L不銹鋼試樣經電化學腐蝕25 h和50 h的自腐蝕電位分別為- 0.128 V 和 - 0.141 V . 自腐蝕電位是金屬材料達到一個穩(wěn)定腐蝕狀態(tài)時測得的電位，自腐蝕電位越大，則材料耐腐蝕性越好[12]，因此腐蝕25 h后的不銹鋼試樣表現(xiàn)出了更好的耐腐蝕性. 此外，隨著電極電位的升高，兩條極化曲線的增長趨勢隨之放緩. 可以看到腐蝕25 h后試樣的鈍化區(qū)間在- 0.04 ～ 0.05 V ，而腐蝕50 h后試樣的鈍化區(qū)間相對變短，在- 0.02 ～ 0.02 V. 綜上，不銹鋼試樣經電化學腐蝕50 h后，其耐腐蝕性比腐蝕25 h的試樣有所降低，但并無明顯差距，這也進一步說明采用SLM成型的316L不銹鋼具有良好的抗腐蝕性能.

圖8 不同腐蝕時間下，316L不銹鋼的阻抗曲線和極化曲線

3 結論

本文采用SLM制備316L不銹鋼試樣，通過測試表征進一步研究其材料性能，得到以下結論：

1）采用SLM制備的316L不銹鋼成型件，其組織形貌在水平方向和垂直方向上會產生顯著性差異；在水平方向上，成型件表現(xiàn)出致密度高、硬度強等優(yōu)勢，適合于大載荷、高強度等工業(yè)應用中.

2）通過不同法向力作用下的摩擦磨損試驗，發(fā)現(xiàn)激光選區(qū)熔化技術成型316L不銹鋼與 Si3N4陶瓷球的摩擦磨損機制主要是磨粒磨損、黏著磨損、氧化磨損和剝落，材料的磨損損傷隨法向力增大而加劇.

3）通過不同時間下的電化學測試結果進一步證實，激光選區(qū)熔化技術制備的316L不銹鋼試樣具有良好的耐腐蝕性能，在長時間腐蝕測試下仍保有高水平耐腐蝕能力.