304L奧氏體不銹鋼SLM成形相對密度優化研究

沈麗麗，馬高峰，李嘉琪，申童威，趙 偉

（福州大學 至誠學院，福建 福州 350002）

0 引 言

選擇性激光融化（selective laser melting，SLM）成形技術是3D打印成形技術中最具潛力的技術之一，該技術能滿足產品個性化需求，能成形傳統方法很難成形或無法成形的復雜零件，具有工藝簡單、周期短、節約材料和成本等優點，且制造的零件綜合力學性能優良[1,2]。目前，SLM已被廣泛地研究應用于鐵基、鋁基、鈦基、鈷基、銅基及鎳基等材料[3-5]。鐵基材料中，不銹鋼因其性能優良已成為SLM加工的重要材料，但目前研究主要集中在316L奧氏體不銹鋼[6,7]，對304L奧氏體不銹鋼的研究相對較少，以下采用氣霧化法制備了304L奧氏體不銹鋼粉末，選取不同工藝參數成形試樣，探究了激光功率、掃描速度、掃描寬度和激光能量密度對試樣相對密度的影響，為304L奧氏體不銹鋼SLM工藝參數的選取提供參考。

1 試驗材料和方法

氣霧化法制備304L奧氏體不銹鋼粉末，其化學成分及含量如表1所示。粉末粒徑為D10=12.34 μm，D50=31.65 μm，D90=56.64 μm，粉末SEM形貌如圖1所示。

表1 304L奧氏體不銹鋼化學成分及含量 質量分數

圖1 粉末SEM形貌

為探究激光功率、掃描速度、掃描寬度和激光能量密度對零件相對密度的影響，設計3因素4水平的正交試驗表，如表2所示，其中激光功率60～90 W，掃描速度500～800 mm/s，掃描寬度0.07～0.10 mm，鋪粉厚度固定不變為25 μm。試驗采用SLM成形試驗機。成形試驗機最大激光功率為100 W，最大成形體積為105 mm×105 mm×100 mm，為保證機器正常工作，成形中采用氬氣進行保護，成形室氧含量小于0.1%。成形過程采用相鄰兩層旋轉67°的掃描策略進行零件成形，制成尺寸為8 mm×8 mm×8 mm的顆粒試樣。

表2 正交試驗表

試樣密度采用賽多利亞YDK01-C密度套件進行測量，每個參數取2個試樣測量后取平均值。采用線切割將試樣從打印方向的中間切開，采用金相砂紙逐級打磨和拋光至鏡面，然后采用金相顯微鏡進行金相觀察。

2 試驗結果

SLM零件質量評測中，常通過相對密度K值判定其質量及力學性能，相對密度K值是零件的實際密度與當前成分的理論密度的比值，在試驗制作過程中，零件的K值無法達到100%。K值越大，零件的內部結構越緊密堅固、缺陷越少、力學性能越好、成形質量越優良。表3所示為各工藝參數相互組合的正交試驗結果。由表3可知，16組試驗結果相對密度均在95%以上，表明采用SLM方式成形的試樣相對密度較好。第3組試樣的相對密度最高為98.81%，其激光能量密度為57.14 J/mm3。

為分析激光能量密度對零件相對密度的影響，表3列舉了16組工藝參數組合的激光能量密度。研究表明激光能量密度對零件的相對密度影響較大，其主要由激光功率、掃描速度、掃描寬度和粉末層厚決定，激光能量密度表達式為：

表3 正交試驗結果

式中：E——激光能量密度，J/mm3；P——激光功率，W；v——掃描速度，mm/s；h——掃描寬度，mm；w—鋪粉層厚，mm。

由表3可知，正交試驗中激光能量密度覆蓋范圍為30～102 J/mm3，覆蓋范圍較廣。圖2所示為激光能量密度對試樣相對密度的影響規律，由圖2可知，相對密度較高的試樣對應的激光能量密度主要集中在35～60 J/mm3，表明適合合金粉末SLM成形的激光能量密度在此范圍。當激光能量密度較高時，試樣的相對密度較小，這可能是因為激光能量高，在馬蘭戈尼力作用下液態金屬從凹陷底部高溫區向側壁流動，在反沖力作用下熔池金屬濺射出金屬射流，在表面張力作用下形成熔滴飛濺。飛濺的熔滴落在金屬表面影響下層鋪粉，導致試樣相對密度降低[8]。

圖2 激光能量密度與相對密度關系

選取激光能量密度范圍中較為典型的1號、3號、4號、9號、13號、14號試樣進行表面分析，各試樣表面典型缺陷如圖3所示。由圖3可知，3號和4號試樣表面質量較好，這與試樣較高的相對密度相符。9號、13號和14號試樣中空洞和氣孔較多，甚至有裂紋出現（圖3（e）圓圈部分），試樣具有較低的相對密度。

為探尋各工藝參數對試樣相對密度的影響程度，對正交試驗結果進行極差分析，極差分析結果如表4所示。由表4可知，掃描速度的R值最大為7.33，掃描寬度的R值最小為2.82，激光功率R值為6.65，R值越大表明該因素對試驗結果影響越大，即掃描速度對零件相對密度影響最大，激光功率次之，掃描寬度對零件相對密度影響最小。

除極差R值外，表4中K值表示該水平對試驗結果的影響，K值越大影響越大。由表4可知，激光功率中K1影響較大，掃描速度中K3影響較大，掃描寬度中K2影響較大，可以推斷在試驗條件下，最優工藝組合為激光功率90 W，掃描速度700 mm/s，掃描寬度0.08 mm，激光能量密度為64.29 J/mm3。采用最優工藝組合進行SLM成形，成形后相對密度為99.01%，其表面金相如圖4所示。由圖4可知，試樣內部平整、無較大空洞和欠融合缺陷，與高相對密度的測試結果對應。

表4 極差分析 %

圖4 最佳工藝組合SLM試樣微觀形貌

3 結束語

激光能量密度對零件相對密度影響較大，合金SLM成形最佳激光能量密度范圍為35～60 J/mm3，最佳相對密度可達98.81%。較高的激光能量密度會引起熔池金屬濺射，導致試樣相對密度降低。正交試驗結果表明，工藝參數對試樣相對密度有一定影響，其中掃描速度對零件相對密度影響最大，激光功率次之，掃描寬度對零件相對密度影響最小。正交試驗最優工藝組合為激光功率90 W，掃描速度700 mm/s，掃描寬度0.08 mm，其激光能量密度為64.29 J/mm3，所得試樣相對密度為99.01%，表面質量良好。