S136模具鋼粉末選區激光熔化成形工藝窗口試驗研究*

朱學超 魏青松 孫春華

(①蘇州市職業大學機電工程學院，江蘇 蘇州 215104；②華中科技大學材料成形與模具技術國家重點實驗室，湖北 武漢 430074)

選區激光熔化技術(Selective Laser Melting，SLM)作為增材制造最具前景的研究方向之一，具有制造精度高(可達0.05 mm)、表面質量好、材料利用率高和工藝簡單等特點， 能快速直接成型具有形狀復雜、輕量化、近完全致密度的金屬零件，在醫療、汽車、模具、航空航天等領域都得到應用[1-3]。選區激光熔化技術(SLM)能夠快速成形金屬模具，已成為該領域研究和應用的熱點，作為一種新技術新工藝，主要解決了注塑模具隨形冷卻水道的設計和加工，隨形冷卻水道的形狀隨著注塑制品的外形變化而不再呈直線狀，可以使得注塑制品得到均勻的冷卻，冷卻時間和制品變形減少[4-8]。

目前，商用的SLM成形金屬模具的材料僅有18Ni300(馬氏體時效鋼MS1)金屬粉末，遠不能滿足模具工業生產和發展的需求[9]。S136模具鋼屬馬氏體不銹鋼，機械加工性能好，拋旋光性能佳、耐腐蝕性和耐磨性好、強度高，被各種塑料模具廣泛應用。因此本文選取S136模具鋼粉末為選區激光熔化成型對象，通過單道掃描試驗，將成型穩定度作為評價標準，研究成形工藝窗口，為下一步研究最優工藝參數提供基礎。

1 試驗設備、材料及方法

1.1 實驗材料

本文采用氣霧化S136模具鋼粉，粉末化學組成如表1所示。粉末微觀形貌如圖1所示，該粉末平均粒徑為27 μm，呈大小不等的規則球形或近球形，粒徑大小分散，具有較好流動性和鋪粉性能，為SLM成形較高致密度的制件提供了必要條件。

表1 S136的化學成分

元素CCrMnSiVFe占比0.3414.64<0.81<0.550.35余量

1.2 試驗設備

成形采用華中科技大學快速制造中心自主研發激光熔化設備HRPM-Ⅱ，配有200W連續模式光纖激光器和三維動態聚焦振鏡，光斑直徑50～100 μm，掃描速度為10～1 000 mm/s，鋪粉厚度20～80 μm，成形腔大小為250 mm×250 mm×450 mm，雙缸下送粉，鋪粉輥移動鋪粉。熔池寬度使用上海蔡康光學儀器有限公司制造的精密光學顯微鏡MC006-5XB-P測量，可實現最大2 000倍的放大，安裝二維圖像測量定倍軟件DS-3000，具備二維測量和照相功能。

1.3 試驗方法

實驗前將粉末置于 60 ℃烘箱內烘干6 h，完全去除水分，增強粉末流動性，提高鋪粉質量。密封的設備成形空間抽真空，通入高純氬氣(99.999%),形成惰性氣體保護氛圍。實驗基板是316L不銹鋼材質，單道掃描實驗之前要將基板表面使用砂紙打磨處理，用分析醇擦拭干凈，再將不銹鋼基板用螺栓固定在設備基板上調平，鋪上一層約為0.02 mm的S136粉末，采用不同的工藝參數做單道掃描實驗，其中激光功率間隔10 W，掃描速度間隔50 mm/s，實驗參數如表2 所示。單道成形后運用光學顯微鏡觀察熔池微觀形貌，研究激光功率和掃描速度對熔池形貌的影響規律。

表2 實驗工藝參數

激光功率P/W110,120,130,140,150,160,170,180掃描速度V/(mm/s)400,450,500,550,600,650,700,750

2 實驗結果與分析

2.1 單道掃描熔池特征定義

SLM 技術是由線到面，再由面到體的成形方式，因此研究激光單道熔化軌跡對了解面和體的成形規律以及優化成形參數有著重要的意義[10]。為了獲取盡可能準確的工藝窗口，設置了如表2所示的較寬范圍激光功率和掃描速度參數，共計64組參數，單道掃描結果如圖2所示。

運用光學顯微鏡對熔池進行觀察，熔池呈現不同的形貌特征，對熔池形貌特征分類定義如圖3所示。圖3a粉末沿熔道呈分散球狀，定義為未熔；圖3b 大顆粒粉末沿熔道斷續熔融，可見細微的球化分布在熔道兩邊，定義為斷續；圖3c熔道連續平直，表面形貌呈相對均勻的魚鱗片狀，定義為熔化；圖3d 熔道寬度過大，中間可見過度氧化的深色瘢痕，熔道兩邊出現較大的球化，定義為過熔。根據單道掃描的特征定義，將所有參數的單道掃描結果進行特征比對分類，得到單道掃描特征分類窗口如表3所示。

2.2 單道掃描實驗熔池穩定度分析

由表3可見，可熔化區很大，可熔化參數多，而且各自成形特性也有明顯差異，必須縮小工藝窗口，找出若干組較優激光功率-掃描速度進行后續塊體成形實驗。為此對處于溶化狀態的每個參數的單道掃描結果采集10個單道熔寬數據，將其平均數作為該參數下“單道熔寬”，將方差定義為該參數下的“成形穩定度”，成形穩定度(方差)如表4所示。數值越小表示成形越穩定，越適合成形。選取方差小于60且連續的參數作為成形較穩定的參數，如表4成型穩定度(方差)加下劃線的參數所示。以這些穩定參數繪制工藝窗口，如圖4所示。線框內部的激光功率-掃描速度參數為成形良好的參數組合。

表3 單道掃描特征分類窗口

激光功率P/W掃描速度V/(mm/s) 110120130140150160170180400熔化熔化熔化熔化熔化熔化過熔過熔450熔化熔化熔化熔化熔化熔化熔化過熔500熔化熔化熔化熔化熔化熔化熔化過熔550熔化熔化熔化熔化熔化熔化熔化熔化600熔化熔化熔化熔化熔化熔化熔化熔化650熔化熔化熔化熔化熔化熔化熔化熔化700未熔未熔未熔斷續斷續熔化熔化熔化750未熔未熔未熔未熔未熔斷續斷續熔化

表4 成型穩定度(方差)

激光功率P/W掃描速度V/(mm/s) 11012013014015016017018040084.752.3118.677.586.245.363.475.6450108.698.59.148.854.2113.772.771.8500192.4195.244.143.291.8157.8177.4105.655049.582.445.354.350.561.682.8149.260029.361.371.764.322.636.351.152.0650169.672.528.130.230.849.690.586.0700—————74.360.483.6750———————115.3

2.3 激光功率和掃描速度對成形質量影響

圖5是S136單道掃描軌跡熔道寬度受激光功率、掃描速度的影響規律。可以看出，在掃描速度不變情況下單道掃描軌跡熔道寬度隨激光功率增強而變寬，在激光功率不變情況下單道掃描軌跡熔道寬度隨掃描速度增大而減小。原因是激光功率增大或掃描速度減小，激光作用在粉末上的能量越強或時間越長，即激光能量密度大時，能熔化粉末量也越多，因此對相同厚度的粉末，熔化后得到的軌跡熔道寬度也越大。

掃描速度600 mm/s時單道熔道比較如圖6所示。由圖6a可見，激光功率120 W時，熔道可見較大金屬球，這是球化現象[11]，產生原因是掃描的激光功率較小，激光能量密度小，熔池溫度較低，熔融金屬粘度較大，潤濕性差，液態金屬聚積形成球體，使表面張力達到平衡狀態，熔融金屬聚集球化時，必然導致熔道軌跡上其他部位熔融金屬的缺失，這就是圖3b所示熔道斷續的原因；圖6b和c可以看出，熔道呈現魚鱗狀連續平直的掃描軌跡，熔覆道寬度相對固定，形貌規則，便于后續實現面掃描單道與單道之間的搭接和體成型層與層之間熔池的均勻重合，減少孔隙產生，提高成形件致密度；圖6d可見在熔道兩邊分布若干球化小球，有別于圖6a所示，產生原因是激光能量密度較大，激光溶化粉床表面時引起的熔池飛濺，這種細微球化在下一道掃描搭接時會再次熔化凝固，對成形質量影響較小。

圖7是激光功率140 W時單道熔道。單道熔寬隨掃描速度的增加而減小，原因是掃描速度快慢決定了激光在粉末上作用時間，作用時間越長，激光能量密度越大，熔化粉末量增多，熔池溫度越高，液體金屬的粘度減小，使熔池寬度呈現較寬的形貌。由圖7a和b可見，熔道呈現魚鱗狀連續平直的掃描軌跡，質量較好。圖7c可見熔道兩邊出現了一些細小的金屬球，且隨掃描速度增大，金屬球明顯增多，這是因為激光束對粉末的快速熔化引起的熔液飛濺。圖7d 是過燒現象，發生在激光能量密度極大(掃描速度低且激光功率高)時，熔道呈現灼燒的深褐色瘢痕，同時伴隨著熔道寬度不均勻甚至不連續現象，過燒對成形件力學性能不利。

3 結論

(1)以最優成形穩定度(方差)為依據，找出了16組成形穩定的激光功率-掃描速度參數組合，得到了S136模具鋼粉末激光單道掃描穩定成形工藝窗口。

(2)激光能量密度小(激光功率較小掃描速度較快)時，形成未熔或斷續不連續熔池；激光能量密度大(激光功率較高掃描速度較慢)時，造成熔道寬度不均甚至過燒現象；當激光功率和掃描速度合適情況下，單道掃描軌跡熔道寬度隨激光功率增強而變寬，單道掃描軌跡熔道寬度隨掃描速度增大而減小。