SLM工藝參數(shù)對(duì)316L不銹鋼成形零件微觀形貌的影響

王玉瑩 沈鵬程 梁興華

摘 要：激光選區(qū)熔化技術(shù)（selective laser melting，SLM）是一種以粉末為原材料的金屬增材制造技術(shù)，通過對(duì)激光選區(qū)熔化技術(shù)制備316L不銹鋼零件的成形工藝參數(shù)（激光功率、打印速度）進(jìn)行變更，研究不同參數(shù)對(duì)316L不銹鋼SLM成形零件材料組織形貌及微觀結(jié)構(gòu)的影響，優(yōu)化316L不銹鋼SLM成形工藝參數(shù)，保證316L不銹鋼的致密成形。采用掃描電子顯微鏡（SEM）、光學(xué)金相顯微鏡（OM）等測(cè)試方法為激光選區(qū)熔化成形316L不銹鋼提供合理參數(shù)與方法。結(jié)果表明：SLM成形316L不銹鋼試樣組織主要由奧氏體組成；當(dāng)激光功率較大時(shí)，不銹鋼內(nèi)部有極大概率會(huì)出現(xiàn)未熔化的顆粒；當(dāng)激光功率為290 W，打印速度為800 mm/s時(shí)，試樣內(nèi)部組織較為致密，為最佳的打印工藝參數(shù)。

關(guān)鍵詞：激光選區(qū)熔化技術(shù)（SLM）；316L不銹鋼；組織形貌；工藝參數(shù)；掃描電子顯微鏡（SEM）

中圖分類號(hào)：TG142.71 DOI：10.16375/j.cnki.cn45-1395/t.2023.01.018

0 引言

增材制造技術(shù)又稱3D打印技術(shù)，誕生于20世紀(jì)80年代末[1]。隨著科學(xué)發(fā)展，其理念與工藝路線與之前概念化成形階段有很大的改變。3D打印技術(shù)不僅能夠應(yīng)用于制造業(yè)，還越來越多地被應(yīng)用于醫(yī)學(xué)界，已經(jīng)成為集產(chǎn)品設(shè)計(jì)、研發(fā)和制造三位一體的先進(jìn)制造技術(shù)[2-8]。增材技術(shù)所使用的原材料從最開始的樹脂、塑料逐漸擴(kuò)展到金屬、復(fù)合材料等，該技術(shù)在金屬類制造業(yè)中的應(yīng)用占比也逐步擴(kuò)大。金屬增材技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)使得該技術(shù)比傳統(tǒng)技術(shù)更加環(huán)保，不僅可以簡(jiǎn)化制造模具時(shí)繁瑣的工藝步驟，而且成形過程中沒有多余的材料耗費(fèi)，避免了能源和材料的浪費(fèi)[9-13]。

激光選區(qū)熔化技術(shù)（selective laser melting，SLM）是金屬增材制造技術(shù)中最具有代表性的一種[14-15]，涉及計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD）、材料、激光等多個(gè)學(xué)科領(lǐng)域，其成形原理是基于計(jì)算機(jī)建立的最初模型，將模型分層切片成小單元，通過控制端控制激光束將金屬粉末燒結(jié)熔化，自下而上層層堆積，將離散化的層片小單元結(jié)構(gòu)堆積成最終模型。與傳統(tǒng)工藝相比，該技術(shù)既不需要刀具、夾具和模具，也沒有繁瑣的加工工序，只需通過計(jì)算機(jī)將零件模型進(jìn)行處理后上傳至成形設(shè)備中即可；不僅能夠?qū)崿F(xiàn)復(fù)雜結(jié)構(gòu)零件如夾層、空腔、內(nèi)流道、空間異形曲面零件結(jié)構(gòu)的一體化制造，還能在定制化零件生產(chǎn)和小批量零件制造方面擁有較大的優(yōu)勢(shì)[16]。

在傳統(tǒng)制造業(yè)向智能制造業(yè)的過渡階段，SLM技術(shù)因其零件制造方面的優(yōu)勢(shì)引起了國(guó)內(nèi)外的廣泛關(guān)注，SLM技術(shù)也有望成為推動(dòng)制造業(yè)發(fā)展的新興力量。激光選區(qū)熔化材料中，與鈦、鋁合金及各類高溫合金相比，316L不銹鋼材料具有良好的力學(xué)性能與極高的性價(jià)比，成為激光選區(qū)熔化技術(shù)中最熱門、應(yīng)用最廣泛的材料。成形零件的力學(xué)性能主要由顯微結(jié)構(gòu)以及缺陷決定，而顯微結(jié)構(gòu)與缺陷主要受掃描過程中的工藝參數(shù)影響，因此，對(duì) SLM-316L不銹鋼材料工藝參數(shù)的研究成為了熱點(diǎn)。

國(guó)內(nèi)外研究者發(fā)現(xiàn)，影響激光選區(qū)熔化成形零件質(zhì)量的因素達(dá)到上百種，主要包括工藝、設(shè)備、材料、環(huán)境等[17-18]。工藝主要包括鋪粉層厚度、掃描間距、激光輸入功率和掃描速度等。本文主要通過改變激光功率和掃描速度來探究工藝參數(shù)對(duì)試樣微觀形貌的影響。通過電子顯微鏡、金相顯微鏡觀察不同工藝參數(shù)下316L不銹鋼成形試樣的微觀組織形態(tài)，分析316L不銹鋼孔隙的形貌、顯微組織等差異及其對(duì)材料微觀組織形貌的影響。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 材料

實(shí)驗(yàn)材料采用316L不銹鋼粉末，其掃描電鏡圖如圖1（a）所示，由圖可知粉末球形度良好。圖中10 μm 為標(biāo)尺，Mag = 500 X，即放大倍數(shù)為500倍；WD = 9.3 mm，為電鏡檢測(cè)工作距離9.3 mm（即焦距）；EHT = 10 kV，表示電鏡加速電壓10 kV；Signal A = InLens，表示使用InLens探測(cè)器進(jìn)行檢測(cè)。316L不銹鋼粉末粒徑分布在 10～60 μm，平均粒度為30 μm左右，如圖1（b）所示。

經(jīng)化學(xué)成分檢驗(yàn)后獲得316L不銹鋼粉末的化學(xué)成分及其比例，如表1所示。

1.2 SLM試樣成形過程

SLM試樣成形過程如圖2所示，使用計(jì)算機(jī)三維建模軟件創(chuàng)建10 mm×10 mm×10 mm 尺寸的試樣塊模型，如圖2（a）所示，試樣成形前對(duì)建模添加網(wǎng)格支撐，在電腦端完成分層處理及支撐設(shè)計(jì)。隨后導(dǎo)入SLM成形設(shè)備，通過激光斑對(duì)層層粉末重熔凝固，最終生成實(shí)體試樣。實(shí)體試樣如圖2（b）所示。

SLM成形設(shè)備采用廣州雷佳金屬增材制造設(shè)備DiMta-280，設(shè)備外觀如圖2（c）所示。該設(shè)備配備了最大功率為400 W、光斑直徑為30 μm、最大打印速度為3 000 mm/s的激光器。316L不銹鋼SLM成形工藝參數(shù)如表2所示，基板采用鎳鉻合金板作為成形支撐，根據(jù)前期觀察的樣件宏觀打印效果，采用不同的打印速度和輸入功率，觀察不同打印參數(shù)對(duì)打印后316L不銹鋼樣件的影響。

1.3 制樣

采用DK7763線切割機(jī)制備試樣的尺寸為10 mm×10 mm×5 mm，試樣1—試樣6均在材料高度Z = 5 mm處切割截面（示意圖見圖3），切割后的試樣采用500#—1000#砂紙進(jìn)行初步打磨。

使用XQ-2B金相鑲嵌機(jī)對(duì)試樣進(jìn)行鑲樣；在用金相顯微鏡和掃描電鏡觀察試樣內(nèi)部微觀形貌前需要用水砂紙對(duì)樣品進(jìn)行打磨，砂紙目數(shù)分別為1 000目、2 000目、4 000目（目：每平方英寸篩網(wǎng)上的孔眼數(shù)目，1 000目即1 000個(gè)，0.015 mm），按照目數(shù)從小到大的順序?qū)υ嚇舆M(jìn)行初步打磨處理。采用Tegra Min-25自動(dòng)研磨拋光機(jī)及金剛石拋光液將試樣研磨拋光至表面達(dá)到鏡面效果。采用Leica DMI300M型光學(xué)顯微鏡（OM）觀察試樣的金相并結(jié)合Image軟件圖像處理分析試樣的相對(duì)密度。使用Zeiss Sigma300型場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡對(duì)試樣進(jìn)行微觀組織形貌觀察。

2 結(jié)果與討論

在SLM制備的試樣中，出現(xiàn)的最典型的缺陷為打印過程中產(chǎn)生的孔隙缺陷，其中孔隙又分為圓形孔以及不規(guī)則孔。圓形孔主要是熔池中的液態(tài)金屬或原材料粉末中存在殘留的水分，在樣件制備時(shí)，水分受高溫影響進(jìn)而蒸發(fā)形成氣體，而氣體未能及時(shí)從熔池內(nèi)部逃逸，最終導(dǎo)致圓形孔的形成。不規(guī)則孔形成的主要原因是在相應(yīng)的工藝參數(shù)下，金屬粉末未完全熔化或熔化產(chǎn)生的液態(tài)金屬?zèng)]有及時(shí)充分填充到相鄰熔池之間的縫隙中。不僅如此，在試樣制備過程中相鄰熔池間縫隙的坍縮也會(huì)導(dǎo)致不規(guī)則孔的形成。

圖4為SLM成形材料試樣1—試樣6在高度Z = 5 mm處截面的SEM（×1 000倍）形貌圖，在激光輸入功率相等的條件下，掃描速度越小，整體的激光能量密度就越大，所提供的熱量就越高，單位體積金屬粉末可以吸收到更充分的熱量，使得金屬粉末熔化更加充分。與此同時(shí)，較高的熱量為已經(jīng)熔化成液態(tài)的金屬提供了更長(zhǎng)的保持液態(tài)形式的時(shí)間，使得金屬更容易被填充進(jìn)相鄰熔池間的空隙中，從而提高了樣件的致密度。在1 000倍低倍鏡條件下，可以觀察到試樣1內(nèi)部無大孔出現(xiàn)（圖4（a）），其余試樣2、試樣5、試樣6不同程度地出現(xiàn)了孔隙和不熔金屬顆粒。圖4（b）中的試樣2的微孔直徑約4 ～ 6 μm，呈不規(guī)則形狀。圖4（c）中的試樣3出現(xiàn)了較多的圓型未熔化金屬顆粒組織，金屬顆粒直徑約為5 μm。而圖4（d）中的試樣4表面有較為密集的麻點(diǎn)狀孔隙，圖4（e）中的試樣5與試樣2類似，可觀察到直徑約為4 ～ 8 μm的不規(guī)則孔隙，但試樣5表面較試樣2組織更加致密。圖4（f）中試樣6有少量4 μm左右的未熔化完全的橢圓形金屬顆粒組織，其顆粒尺寸較試樣3中的顆粒尺寸略小。從整體來看，可以觀察到圖4中的（a）—（c）和（d）—（f）2組3個(gè)樣品的微觀形貌中孔隙呈現(xiàn)逐漸增大、增多的趨勢(shì)。可以得出在激光輸入功率相等的條件下，掃描速度越小，試樣的組織越致密。試樣2、試樣5、試樣6的微孔更小一些，約4 ～ 8 μm。而試樣1的孔最小，在1 000倍條件下僅觀察到麻點(diǎn)狀小孔，表明試樣1的工藝參數(shù)的打印速度為800 mm/s，輸入功率選擇290 W時(shí)，打印試樣內(nèi)部最致密，不出現(xiàn)大微孔的缺陷，是較為適合的工藝參數(shù)。

圖5為SLM成形材料試樣1—試樣6進(jìn)一步放大至2 000倍時(shí)的微觀形貌圖，從圖5（a）中可觀察到試樣1中存在長(zhǎng)條形組織。在圖5（b）中，可以進(jìn)一步觀察到試樣2的不規(guī)則孔隙周圍分布有少量不規(guī)則的麻點(diǎn)狀小孔。圖5（c）中試樣3在放大2 000倍時(shí)有較多的未完全熔化的金屬顆粒。從圖5（d）中可以觀察到大量麻點(diǎn)狀孔隙。從圖5（e）中可以觀察到放大后的試樣5的孔隙，周圍分布少量微小孔隙。從圖5（f）中可發(fā)現(xiàn)試樣6中未完全熔化的金屬顆粒比試樣3中未完全熔化的金屬顆粒少很多。試樣3的組織形貌較差，表明試樣3的工藝參數(shù)的打印速度為1 000 mm/s，輸入功率選擇290 W時(shí)，打印試樣內(nèi)部未熔化的金屬顆粒最多。

圖6為SLM成形材料試樣1—試樣6進(jìn)一步放大至5 000倍的微觀形貌圖，從圖6（a）中的試樣1中可以觀察到有微小的未完全熔化的金屬顆粒。從圖6（b）中可以較為清晰地觀察到試樣2中的孔隙形貌呈不規(guī)則的類圓形。從圖6（c）中可以看到試樣3未熔化的金屬顆粒仍然分布較多，有少量大直徑的未熔顆粒和較多的未完全熔化的小型類圓形顆粒。通過圖6（d）可以進(jìn)一步觀察到試樣4中存在大量的呈麻點(diǎn)狀分布的不規(guī)則形淺孔，孔隙直徑約為0.5 μm。圖6（e）為試樣5中孔隙放大到5 000倍下的組織形貌，大孔隙周圍分布少量點(diǎn)狀孔隙，可以看出試樣5孔隙比試樣4孔隙深。在圖6（f）中能夠看到橢圓形的未完全熔化的金屬顆粒形貌。

圖7為SLM成形材料試樣1—試樣6在光學(xué)顯微鏡放大200倍下的金相形貌圖，參數(shù)較好時(shí)，試樣表面孔隙非常少，且?guī)缀跤^察不到大的孔隙，而當(dāng)激光能量密度過高或者過低時(shí)，材料表面均會(huì)出現(xiàn)大量缺陷。在SLM試樣中，缺陷主要包括結(jié)合缺陷、氣孔和層間空隙。結(jié)合缺陷是與金屬球形顆粒相關(guān)的不規(guī)則空腔。導(dǎo)致結(jié)合缺陷出現(xiàn)的原因主要有2種，一種為SLM過程中激光能量不足，導(dǎo)致金屬粉末局部熔化不完全，形成缺陷；另一種是球化。氣孔的形成主要是由于粉末中的氣體來不及溢出從而形成球形空隙。層間孔隙主要是由熔體狀態(tài)快速冷卻引起的高殘余應(yīng)力引起的。

從圖7（a）、圖7（b）、圖7（e）中可以看出試樣1、試樣2、試樣5中均有麻點(diǎn)狀孔隙分布，且圖7（a）中的試樣1的孔隙最少，組織形貌最好。而圖7（b）中的試樣2可以觀察到較多的麻點(diǎn)狀孔隙。圖7（c）中試樣3可以明顯觀察到未熔化的金屬顆粒形貌，且有少量麻點(diǎn)狀孔隙。從圖7（d）中能夠觀察到試樣4比試樣2分布有更密集的孔隙，且試樣4的孔隙要比試樣1的孔隙大。圖7（e）中的試樣5有少量孔隙分布，但試樣5孔隙的數(shù)量比試樣1多，孔隙大小比試樣4大。從圖7（f）中可觀察到有少量微小的未完全熔化的金屬顆粒，麻點(diǎn)狀孔隙比試樣3多，但試樣6中的未熔化金屬顆粒的直徑較試樣3中的未熔化金屬顆粒的直徑小很多。

3 結(jié)論

本文采用激光選區(qū)熔化（SLM）方法制備了316L奧氏體不銹鋼零件，研究了不同工藝參數(shù)對(duì)零件內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)的影響，為SLM技術(shù)應(yīng)用于汽車零部件的設(shè)計(jì)提供參考。

1）SLM成形316L不銹鋼試樣組織主要由奧氏體組成，激光功率為290 W、打印速度為800 mm/s時(shí)，打印試樣內(nèi)部最致密，不出現(xiàn)大微孔和大的不熔顆粒夾雜缺陷，是最佳的打印工藝。

2）當(dāng)打印速度一定時(shí)，激光打印功率越大，試樣內(nèi)部組織缺陷越多，內(nèi)部孔隙越多。當(dāng)打印速度為900 mm/s、激光功率為290 W時(shí)，試樣內(nèi)部出現(xiàn)小的孔隙約為4 ～ 6 μm，激光功率為300 W，試樣內(nèi)部的孔隙更大，直徑達(dá)到了4 ～ 8 μm。當(dāng)打印速度為1 000 mm/s，試樣內(nèi)部出現(xiàn)的未完全熔化金屬顆粒缺陷比打印速度為800 mm/s時(shí)的試樣內(nèi)部出現(xiàn)的未完全熔化金屬顆粒缺陷直徑更大，顆粒直徑約為3 ～ 5 μm。

3）SLM成形316L不銹鋼試樣的微觀形貌表明，當(dāng)輸入功率為固定值時(shí)，打印速度越大，試樣內(nèi)部組織的缺陷越多。當(dāng)激光功率為290 W時(shí)，打印速度為800 mm/s，試樣內(nèi)部出現(xiàn)小直徑未完全熔化金屬顆粒缺陷，顆粒直徑約為0.5 μm。當(dāng)打印速度為900 mm/s，試樣內(nèi)部出現(xiàn)小的孔隙約為4 ～ 6 μm。當(dāng)打印速度為1 000 mm/s時(shí)，試樣中未熔化的金屬顆粒較多、較大，達(dá)到5 ～ 7 μm。

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Effect of SLM process parameters on the microscopic morphology of formed parts of 316L stainless steel

WANG Yuying， SHEN Pengcheng， LIANG Xinghua*

（Guangxi Key Laboratory of Auto Parts and Vehicle Technology， Guangxi University of Science and Technology， Liuzhou 545616， China）

Abstract： Selective laser melting （SLM） is a metal additive manufacturing technology using powder as the raw material. The effect of different parameters on the morphology and microstructure of SLM formed parts of 316L stainless steel was investigated to optimize the SLM forming process parameters of 316L stainless steel and to ensure dense forming of 316L stainless steel. Scanning electron microscopy （SEM） and optical metallurgical microscopy （OM） were used to provide reasonable parameters and methods for laser-selective melting of 316L stainless steel. The results show that the SLM forming of 316L stainless steel specimens was mainly composed of austenite， when the laser power was higher， there was a high probability of unmelted particles inside the stainless steel， when the laser power was 290 W and the printing speed was 800 mm/s， the internal structure of the specimen was denser， which was the best printing process parameters.

Key words： selective laser melting （SLM）; 316L stainless steel; organizational profile; process parameter; scanning electron microscopy （SEM）

（責(zé)任編輯：黎 婭、于艷霞）