增材制造不銹鋼的組織和性能

張 龍, 劉 瑩, 路 遄

(1.蘭州資源環(huán)境職業(yè)技術(shù)大學(xué), 蘭州 730123；2.天津鋼鐵集團(tuán)有限公司, 天津 300000)

增材制造(3D打印)技術(shù)屬于快速成型生產(chǎn)技術(shù)，在對(duì)工件進(jìn)行數(shù)字模型構(gòu)建的基礎(chǔ)上，采用3D打印設(shè)備將樹(shù)脂或塑料進(jìn)行熔融、燒結(jié)等，再通過(guò)逐層成型來(lái)完成精密成型制造。該技術(shù)具有定制化的特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于航空航天、軍事機(jī)械、人造骨骼、土木工程模具、飾品生產(chǎn)等領(lǐng)域。其中，選擇性激光融化技術(shù)(SLM技術(shù))是利用金屬粉末在高能激光束熱源的作用下完全熔化，經(jīng)散熱凝固后與基體金屬冶金焊合，再逐層累積成型的一種金屬3D打印技術(shù)，目前已成為金屬精密成型領(lǐng)域重要的前沿技術(shù)之一[1-2]。

304不銹鋼和316L不銹鋼是低碳奧氏體不銹鋼，具有較好的力學(xué)加工和耐腐蝕性能，廣泛用于汽車(chē)配件、醫(yī)療器械、建筑材料等領(lǐng)域。在這些領(lǐng)域中，隨著工藝化定制需求的日益增長(zhǎng)，關(guān)于不銹鋼3D打印技術(shù)的研究需求也在不斷增加。筆者采用易博三維公司生產(chǎn)的IGAM-I型金屬3D打印設(shè)備，用SLM技術(shù)對(duì)304不銹鋼和316L不銹鋼進(jìn)行快速成型，分析其成型組織的性能特點(diǎn)，為優(yōu)化不銹鋼的SLM工藝奠定了基礎(chǔ)。

1 試驗(yàn)材料及試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)材料的制備

試驗(yàn)材料為304不銹鋼和316L不銹鋼粉末，粒徑為15 μm～53 μm，采用IGAM-I型金屬3D打印設(shè)備，得到規(guī)格(直徑×長(zhǎng)度)為10 mm×15 mm的圓柱。激光功率為275 W，掃描速度為1 000 mm/s，層厚為0.05 mm，掃描間距為0.08 mm。304不銹鋼及316L不銹鋼的化學(xué)成分如表1所示。

表1 304不銹鋼及316L不銹鋼的化學(xué)成分 %

1.2 試驗(yàn)方法

將304不銹鋼及316L不銹鋼材料3D打印試樣沿著垂直于打印方向(橫向)及打印方向(縱向)進(jìn)行切割，用美國(guó)標(biāo)樂(lè)制樣設(shè)備進(jìn)行加工和磨拋后，用氯化鐵-鹽酸溶液對(duì)試樣進(jìn)行腐蝕。使用蔡司M2M型光學(xué)顯微鏡對(duì)試樣進(jìn)行金相檢驗(yàn)，用蔡司EVO MA15型掃描電子顯微鏡對(duì)試樣進(jìn)行分析，同時(shí)利用布魯克QUANTTAX400型能譜儀對(duì)試樣微區(qū)進(jìn)行分析，觀(guān)察區(qū)域成分的均勻性。

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 金相檢驗(yàn)結(jié)果

利用光學(xué)顯微鏡觀(guān)察經(jīng)過(guò)磨拋的試樣，發(fā)現(xiàn)橫向試樣上局部存在孔洞和微裂紋，孔洞和微裂紋分布不均勻。304不銹鋼材料3D打印試樣的孔洞和裂紋較多，裂紋多為沿晶裂紋，缺陷沒(méi)有明顯的分布規(guī)律；316L不銹鋼材料3D打印試樣的橫截面幾乎沒(méi)有明顯裂紋，孔洞較少且形狀較為圓潤(rùn)，局部位置有成排分布的趨勢(shì)，如圖1所示。

圖1 兩種不銹鋼材料3D打印橫向試樣的微觀(guān)形貌

用光學(xué)顯微鏡觀(guān)察腐蝕后的不銹鋼材料3D打印試樣，304不銹鋼材料3D打印橫向試樣的組織呈現(xiàn)橫縱交錯(cuò)的編織狀結(jié)構(gòu)，局部呈現(xiàn)花紋結(jié)構(gòu)，將花紋結(jié)構(gòu)放大觀(guān)察，發(fā)現(xiàn)了更微觀(guān)的編織狀結(jié)構(gòu)，整個(gè)截面的編織狀結(jié)構(gòu)不均勻。316L不銹鋼材料3D打印橫向試樣的組織形態(tài)與304不銹鋼材料3D打印橫向試樣的結(jié)構(gòu)相似，但316L不銹鋼材料3D打印橫向試樣編織狀結(jié)構(gòu)整體更為均勻，結(jié)構(gòu)更為規(guī)則，兩種不銹鋼材料3D打印橫向試樣腐蝕后的微觀(guān)形貌如圖2所示。

圖2 兩種不銹鋼材料3D打印橫向試樣腐蝕后微觀(guān)形貌

用光學(xué)顯微鏡觀(guān)察腐蝕后的316L不銹鋼材料3D打印縱向試樣，其縱向截面的孔洞和裂紋也較少，組織形態(tài)呈現(xiàn)魚(yú)鱗狀結(jié)構(gòu)，“鱗片”生長(zhǎng)方向?yàn)?D打印生長(zhǎng)方向的逆方向(見(jiàn)圖3)。

圖3 316L不銹鋼材料3D打印縱向試樣腐蝕后微觀(guān)形貌

2.2 掃描電子顯微鏡分析結(jié)果

用掃描電子顯微鏡分析304不銹鋼及316L不銹鋼材料橫向試樣，發(fā)現(xiàn)兩種材料橫縱交錯(cuò)纖維結(jié)構(gòu)的微觀(guān)形貌相同，都呈現(xiàn)蜂窩狀結(jié)構(gòu)或管型結(jié)構(gòu)，表現(xiàn)出各向異性，316L不銹鋼材料3D打印橫向試樣腐蝕后的微觀(guān)形貌如圖4所示。

圖4 316L不銹鋼材料3D打印橫向試樣腐蝕后的微觀(guān)形貌

采用掃描電子顯微鏡對(duì)304不銹鋼和316L不銹鋼兩種材料的3D打印縱向試樣進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)二者放大后的微觀(guān)形貌相同,“鱗片”形態(tài)在高倍下呈現(xiàn)蜂窩狀結(jié)構(gòu)，316L不銹鋼材料3D打印縱向試樣腐蝕后的微觀(guān)形貌如圖5所示。在同一個(gè)微熔池下可以觀(guān)察到多個(gè)晶粒，而在晶粒中可觀(guān)察到多個(gè)存在各向異性的亞晶胞。由于其各向異性，有些亞晶胞在截面上呈現(xiàn)近等軸狀的胞狀結(jié)構(gòu)，有些亞晶胞則呈現(xiàn)類(lèi)豆莢狀的柱狀結(jié)構(gòu)。

圖5 3D打印316L不銹鋼材料縱向試樣腐蝕后的微觀(guān)形貌

利用能譜儀對(duì)316L不銹鋼材料3D打印橫向試樣的微區(qū)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)試樣的成分基本均勻，無(wú)局部元素偏聚及二次相析出，其能譜分析結(jié)果如圖6所示。

圖6 316L不銹鋼材料3D打印橫向試樣能譜分析結(jié)果

2.3 硬度測(cè)試結(jié)果

用布氏硬度計(jì)對(duì)304不銹鋼和316L不銹鋼材料3D打印試樣分別進(jìn)行宏觀(guān)硬度測(cè)量，結(jié)果如表2所示。304不銹鋼材料3D打印試樣比316L不銹鋼材料3D打印試樣的硬度低，但均在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)。

表2 兩種材料3D打印試樣的硬度測(cè)試結(jié)果 HB

2.4 力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果

對(duì)316L不銹鋼材料3D打印試樣和普通316L不銹鋼試樣分別進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，結(jié)果如表3所示，由表3可知，用3D打印技術(shù)制備的316L不銹鋼材料試樣的力學(xué)性能比普通316L不銹鋼材料試樣的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度都大，伸長(zhǎng)率也有所增大。

表3 316L不銹鋼材料3D打印試樣與其普通試樣的力學(xué)性能

3 綜合分析

不銹鋼材料3D打印橫向試樣編織狀的層疊形貌明顯，許多位置的編織狀纖維部分形貌光滑、結(jié)構(gòu)連貫、形態(tài)均勻。原材料顆粒在逐層快速高溫熔融后的快速冷卻堆積過(guò)程中，后沉積層在高溫沉積時(shí)放出的熱量傳遞給前沉積層，這種反復(fù)微區(qū)熱處理必然會(huì)對(duì)前沉積層產(chǎn)生影響，而出現(xiàn)工件不同區(qū)域的組織不均[3-4]。

縱向試樣上的魚(yú)鱗狀結(jié)構(gòu)特點(diǎn)說(shuō)明大量金屬顆粒經(jīng)過(guò)激光轟擊熔化后，處在短暫熔融期的金屬小液滴在重力作用下有向下滴落的運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)，其迅速凝固后，保留了這一特點(diǎn)，所以每一熔積層結(jié)構(gòu)的下端會(huì)有近圓形的形貌呈現(xiàn)出來(lái)，凝固后的縱向試樣存在明顯的各向異性，最終形成了類(lèi)似魚(yú)鱗狀的形態(tài)[5-6]。

在相同工藝下，316L不銹鋼材料3D打印試樣明顯比304不銹鋼材料3D打印試樣的致密性更好，缺陷和孔洞更少，均勻性更佳，同時(shí)也說(shuō)明316L不銹鋼材料3D打印試樣不同位置的硬度較為均勻。這是因?yàn)樘砑拥你f元素使其淬透性更強(qiáng)，有利于3D打印過(guò)程中快速成型，且具有回火穩(wěn)定性，對(duì)于鋼的延展性和耐磨性具有正向作用[7],可提高鋼的熱強(qiáng)度。最終成型的316L不銹鋼材料3D打印試樣的綜合性能優(yōu)于304不銹鋼材料3D打印試樣。

4 結(jié)語(yǔ)

(1) SLM打印技術(shù)可得到結(jié)構(gòu)致密且均勻、力學(xué)性能良好的定制化材料，該工藝制得的材料具有較好的軸向均勻性，同時(shí)存在生長(zhǎng)方向的各向異性。

(2) 304不銹鋼和316L不銹鋼在相同的3D打印工藝下，316L不銹鋼材料試樣的組織結(jié)構(gòu)更為均勻，缺陷更少，硬度略高，其綜合性能更優(yōu)。

(3) 不同不銹鋼材料需要選取不同的3D打印工藝，上述工藝較適合316L不銹鋼材料。