激光選區熔化成型316L不銹鋼工藝參數研究

徐凱池 ，王 科 ，徐如雪 ，沈 喆

（1.中國航發沈陽發動機研究所，沈陽 110015；2.西北工業大學力學與土木建筑學院，西安 710129；3.空軍裝備部駐沈陽地區第二軍事代表室，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，被廣泛應用于航空發動機零件的制造。隨著航空技術的不斷發展，內部零件的形狀與結構日趨復雜，采用傳統的機械加工方法難以滿足航空發動機復雜零部件的制造要求。因此，研發新的制造技術已成為當今研究熱點。

激光選區熔化（Selective Laser Melting，SLM）技術屬于增材制造的一種，其成型原理是將設計的3 維模型離散化，通過逐層疊加的方法，形成3 維金屬零件。與傳統制造技術相比，采用SLM 工藝不僅能制造出具有復雜結構的零件，而且所制零件與冶金能良好地結合，致密度接近100%。該工藝在航空、航天、醫療和模具工業得以擴展應用。但由于SLM 零件是通過點、線、面、體構造成型的，其表面質量存在一定的缺陷，內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。激光工藝參數作為目前影響SLM 零件成型質量的主要因素之一，對零件的打印質量和性能產生極大地影響，因此，探討工藝參數對成型零件質量和性能的影響規律從而確定最優工藝參數至關重要。程博等研究了SLM 激光功率和掃描速度對18Ni-300 成型件表面質量和致密度及硬度的影響規律，表明隨著激光掃描速度提高，零件表面熔道球化效應加劇，孔隙缺陷增多，致密度降低；當激光功率增大時，熔道重熔區域增大，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對Ti6Al4V 合金BCC 晶格網架結構的影響，表明在激光功率較低條件下，隨著掃描速度的提高，晶格網架尺寸減小；在中等激光功率（200 W）下，晶格網架尺寸逐漸減小，直至掃描速度達到2400 mm/s 時，晶格網架尺寸不再發生變化；在激光功率較大（250、300 W）時，在不同的掃描速度下晶格網架尺寸存在一定的波動。高飄等通過分層厚度對Ti-5Al-2.5Sn合金試樣致密度、顯微組織和力學性能的影響進行了分析，表明在其他工藝參數一定的條件下，當分層厚度小于40 μm 時，能量密度降低，致密度提高；當分層厚度大于40 μm 時，隨著能量密度的降低，致密度呈現先提高后降低的趨勢。Ansari等通過建立多物理數值模型和模擬SLM 過程，確定了不同掃描速度下AlSi10Mg 金屬粉末的工藝參數組合，并分析了激光功率和光斑直徑對溫度的影響。

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

1 試驗及方法

1.1 試驗材料

在SLM 試驗中采用中航邁特生產的氣霧化316L不銹鋼粉末，其微觀形貌如圖1所示，化學成分見表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不銹鋼粉末的質量分數 wt/%

1.2 試驗設備與工藝參數

利用HBD 280設備進行試驗，該設備采用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。為進一步掌握工藝參數對成型零件性能的影響規律，采用單因素條件變量分析法進行性能分析。利用成型工藝參數見表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

圖2 掃描方向逐層改變67°的條形掃描策略

1.3 試驗方法

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

圖3 拉伸試樣尺寸

2 結果與討論

2.1 工藝參數對致密度和硬度的影響

圖5 掃描速度對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果如圖4、5 所示。從圖中可見，當其他工藝參數一定的情況下，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，分別在功率為300 W 和掃描速度為1000 mm/s 時，致密度達到最高值。試樣的上表面硬度與致密度表現出相同的變化規律。

圖4 激光功率對致密度和硬度的影響

產生此現象的原因主要是因為工藝參數變化時影響了內部能量密度的變化，從而導致試樣性能的變化

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，當激光功率較低或掃描速度較高時，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，導致表面硬度減小。當激光功率較高或掃描速度較低時，能量密度過大導致粉末被過度燒蝕，形成的不規則孔隙缺陷（如圖6 所示），減小了試樣的致密度。由于孔隙分布不均勻，使測試樣硬度存在較大偏差。此外，試樣內部孔隙越多，硬度儀壓頭越容易壓入試樣內部，硬度值越小。

圖6 激光功率為325 W的316L試樣光學形貌

2.2 工藝參數對表面粗糙度和組織的影響

激光功率和掃描速度對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，分別在功率為300 W 和掃描速度為1000 mm/s 時，表面粗糙度達最低值為11.882 μm，如圖9（a）所示。

圖7 激光功率對316L不銹鋼合金試樣表面粗糙度的影響

圖8 掃描速度對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。在相同的掃描間距條件下，當激光功率較低時，能量密度減小，造成大量未熔化粉末堆積，熔道搭接不理想，影響了層間結合狀態，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，表面粗糙度減小；當激光功率過高時，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，導致熔道過度堆疊，影響了表面成型質量，如圖9（c）所示。當掃描速度較低時，激光作用于粉末上的時間增加，使熔池內部處于湍流狀態，產生大量飛濺顆粒，增大了試樣表面粗糙度；當掃描速度較高時，雖然激光作用于粉末上的時間較短，但過高的掃描速度易造成成型室內的粉末飛濺，影響了試樣的表面成型狀態。因此，當能量密度適中時，熔道平行度較高，試樣成型狀態好，如圖9（b）所示。

圖9 不同工藝參數試樣的上表面形貌（250倍）

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

圖10 不同工藝參數試樣的縱截面SEM成型（4萬倍）

2.3 工藝參數對尺寸精度的影響

激光功率和掃描速度對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，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，整體呈現收縮趨勢。當掃描速度提高至1100 mm/s 以上時，尺寸偏差再次增加，因掃描速度過高，導致層間不良。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，導致收縮效應更強，尺寸誤差變化更大。

圖11 激光功率對316L不銹鋼合金試樣尺寸偏差的影響

圖12 掃描速度對316L不銹鋼合金試樣尺寸偏差的影響

2.4 優化工藝的試樣性能

通過上述對工藝參數的研究，在激光功率為300 W，掃描速度為1000 mm/s，掃描間距為0.1 mm的優選工藝參數下進行SLM 試驗。在優選工藝下打印的316L不銹鋼試樣在SEM下的顯微組織如圖13所示。從圖中可見，內部組織主要為柱狀晶和胞狀晶，熔池內部可見明顯的晶界（白色虛線）。胞狀晶主要分布于熔池內部（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部最大溫度梯度方向生長（如圖13（c）所示）。在優選工藝下樣件的力學性能見表3。從表中可見，316L試樣的上表面和側表面的硬度存在明顯差異，側表面硬度高于上表面的，HRB達到98.62。沿水平方向構建的棒狀拉伸試樣的應力-應變曲線如圖14所示。試樣的拉伸性能為753 MPa，延伸率達到24.6%。為進一步了解316L不銹鋼的斷裂機理，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和剪切唇組成，表面可見大小不同的韌窩孔洞，呈現韌性斷裂特征。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 優選工藝下試樣的力學性能

圖14 316L不銹鋼拉伸試樣的應力-應變曲線

圖15 316L不銹鋼試樣的拉伸斷口形貌

3 結論

（1）在激光功率較低或掃描速度較高時，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，能量密度過大，產生過度燒蝕孔隙，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，導致大量粉末堆積，影響了層間結合狀態，表面出現明顯的球化現象，表面粗糙度增加；在激光功率較高或掃描速度較低時，熔道塌陷變形，導致試樣表面凹凸不平，表面粗糙度增加；

（3）相對于掃描速度，激光功率對于試樣、、方向的尺寸偏差影響更為顯著；

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