工艺参数对选区激光熔化成形316L不锈钢的影响

2020-07-31 00:14:43

  浙江至德钢业有限公司为研究不同参数对SLM成形316L不锈钢组织和性能的影响,采用正交试验法研究不同扫描速度、激光功率和扫描间距的不锈钢致密度和力学性能。结果表明:扫描间距对不锈钢的致密度和力学性能影响最大,其次为激光功率,最后为扫描速度。增加激光功率可以提高其致密度、强度和塑性,而增加扫描速度或扫描间距会产生相反的作用。316L不锈钢是一种超低碳奥氏体不锈钢,其中国牌号为022Cr17Ni12Mo2,该不锈钢不仅具有良好的耐蚀性还具有优异的力学性能和成熟的应用加工技术,在各种恶劣的工作环境中被广泛应用。


 目前,增材制造技术已经发展到一个新的阶段,部分材料已经开发出成熟的加工技术,可以直接成形生产高性能的零部件。现阶段可以直接制造金属零部件的工艺有选区激光熔化(selective laser melting,SLM)、激光熔化沉积(laser melting deposition,LMD)和激光净成形(laser engineering net shaping,LENS)等技术。其中,SLM技术基于分层制造和层层叠加原理,通过计算机控制激光按照一定的扫描路径选择性地熔化各层金属粉末,逐层粘结,形成组织致密的三维实体。由于SLM成形过程中金属粉末发生完全熔化/凝固,故合金在固液转变过程中将发生显著的收缩变形,而且因为温度变化较快,较大的热应力积聚在合金中,并在冷却过程中释放,致使零部件发生变形、甚至开裂。与此同时,合金在SLM成形过程中产生大量孔隙,这些孔隙极大地降低力学性能。而合适的工艺参数可以有效地改善合金的成形质量,从而获得具有优异性能的零部件。至德钢业通过正交试验研究SLM成形参数对316L不锈钢组织和性能的影响规律。


 一、实验


  实验材料为316L不锈钢金属粉末,D50=45μm,其主要化学成分见表。试验主要设备:金属3D打印机(HST—300),微机控制电子万能试验机(WDW3100),金相显微镜(DM2700M),电子扫描显微镜(Hitachi S-3400),能谱仪(X-Max)。


  SLM成形参数较多,其中影响成形的主要参数有激光功率、扫描速度、扫描间距和铺粉层厚等,本文选择扫描速度、激光功率、扫描间距作为正交试验因素,每个因素分别选取3个水平,根据正交试验设计原则进行正交试验,试验方案见表。


  图为SLM成形316L不锈钢2号试样,其中板状为拉伸试样,圆柱状为金相试样。本实验通过表征9种试样的物理性能和力学性能,分析扫描速度、激光功率、扫描间距等参数的变化对合金致密度、抗拉强度、断后伸长率的影响规律。


二、实验结果与分析


  1. 工艺参数对致密度的影响


  使用金相显微镜(DM2700M)观察不锈钢经研磨抛光后的微观形貌。采用图像法测定试样的相对密度。从表可以看出,6号试样不锈钢的相对密度最高,为97.3%,7号试样不锈钢的相对密度最低,为84.3%。


  表为相对密度在各因素下的极差分析结果,极差大小可以直观反映各因素对致密度影响变化的规律。正交试验结果的极差分析表明,当扫描速度为810~890 mm/s,激光功率为190~230 W,扫描间距为0.08~0.12 mm时,扫描间距对致密度的影响最大,激光功率次之,扫描速度的影响最小。正交试验中,随着扫描速度的增加,不锈钢的致密度降低;当激光功率为190~210 W时,随着激光功率增加,不锈钢的致密度增加;当激光功率为210~230 W时,随着激光功率增加,不锈钢的致密度缓慢降低;随着扫描间距的增加,不锈钢的致密度大幅度降低。


  不锈钢的SLM成形主要有3个过程:


  ①. 激光与金属粉末发生交互作用;


  ②. 金属粉末熔化,微熔池与已固化的金属发生润湿;


  ③. 微熔池的快速凝固。


  不锈钢的孔隙率主要取决于液相流动性与液相凝固时间。当激光功率过低时,加热块对部分金属粉末虽产生一定的影响,但不足于使金属粉末发生熔化,粉末之间产生部分微粘结,熔体粘度较高,液相的流动性较差,合金孔隙率较高;随着激光功率的增加,粉末溶解量增加,生成的液相量增多,金属发生部分熔化而产生适量的液相,通过液相的“桥接”作用而粘结未熔固相颗粒,液相的流动性提高,液相沿着凝固金属的晶界和颗粒间的接触面冷却凝固成型,此时,合金的孔隙率随着激光功率的增加而降低。当激光功率增加到一定时,激光功率过高,虽未能使金属粉末完全熔化,但是生成足够的液相,在较高的扫描速率下将产生圆柱形金属熔化轨迹,而熔化的金属粉末因为表面能的降低而引起的液柱不稳定,从而分裂成直径近于光斑直径(0.2~2 mm)的球状,即发生了“球化”现象,从而增加合金的孔隙率。因此,不锈钢在激光功率为190~230 W时进行SLM成形,随着激光功率增加,不锈钢的致密度先增加后降低。


  当扫描速度较低时,液相可以获得较长的存在时间,液相有更多的时间用于流动与铺展,这会导致润湿固相颗粒的数量增加,从而获得致密度较高的合金。因此,不锈钢在扫描速度为810~890 mm/s时进行SLM成形,随着扫描速度的增加,不锈钢的致密度不断降低。SLM成形时,金属粉末的完全融化产生较大的凝固收缩。当扫描间距较小时,生成的液相量较少,其凝固收缩对致密度的影响较小;当扫描间距较大时,生成的液相量较多,将产生较大的凝固收缩,从而导致合金中出现缩孔,合金的致密度降低。


  体能量密度对316L不锈钢致密度的影响见图,体能量密度Ψ=p/(vhd),反映各参数对致密度影响的综合效应,其中v为扫描速度,p为激光功率,d为切片层厚,h为扫描间距。从图2显示,当体能量密度为50~120 J/mm3时,随着体能量密度的增加,不锈钢的相对密度不断增加。


  选择致密度由好到差的三种不锈钢观察截面形貌,图3为不同SLM工艺下制备的316L不锈钢的纵截面,从图3中可以看出,6号试样不锈钢的孔隙裂纹量最少,4号试样不锈钢的孔隙裂纹量较少,7号试样不锈钢的孔隙裂纹量最多。其中,6号试样出现了一道扫描轨道,所有试样都可以看到明显的柱状边界。这是由于,在SLM成形过程中,合金从底层基板一层一层往上叠加,热量由顶层向下不断散失,导致合金中出现往上生长的柱状组织。


 2. 工艺参数对力学性能的影响


  表为不同SLM工艺制备的316L不锈钢的力学性能分析,6号试样的力学性能最好,其抗拉强度和断后伸长率分别为622 MPa和7.17%,7号试样不锈钢的力学性能最差,其抗拉强度和延伸率分别为287 MPa和4.34%。


  表为力学性能的极差结果对比,当扫描速度为810~890 mm/s,激光功率为190~230 W,扫描间距为0.08~0.12 mm时,扫描间距对抗拉强度的影响最大,激光功率次之,扫描速度的影响最小,对断后伸长率的影响,扫描间距最大,激光功率次之,扫描速度的影响最小。


  图为不同SLM工艺制备的316L不锈钢的拉伸曲线,从图可见,316L不锈钢的拉伸曲线有明显的弹性变形阶段,不锈钢进入塑性变形后,产生的应力硬化没有明显强化作用,因此拉伸曲线没有明显的强化阶段。图4同时表明,不锈钢抗拉强度越高,其断后伸长率也越大;反之,不锈钢抗拉强度越低,其断后伸长率也越小。


  由于SLM成形过程中,金属粉末在激光的瞬间加热下熔化然后迅速凝固,晶粒在短时间内形成且来不及长大,随即成形了众多微小聚集的晶粒,这些细化的晶粒会提高制件的强度和韧性。同时,SLM工艺制备的合金在成形时容易产生孔隙,孔隙的存在极大地降低合金的力学性能。因此,最多孔隙的7号试样的力学性能最差,致密度最好的6号试样的力学性能最好。


3. 显微组织


  将6号不锈钢试样研磨抛光,然后置于硝酸+盐酸(1∶3)溶液中浸蚀3秒,使用金相显微镜观察其显微组织,如图所示。图表明,6号合金没有较大的孔洞或裂纹,SLM成形质量高、孔隙少。SLM成形316L不锈钢的晶粒呈椭圆状,晶内分布着大量针状组织,这些针状组织有利于提高合金的强度和塑性。


  图为SLM成形316L不锈钢EDS扫描结果,从图6可见,合金内部分布着小的网状组织,铬、镍、锰、钼元素分布均匀,大量偏聚于孔隙处的碳元素会导致不锈钢的性能变差。


三、结论


 ①. 通过致密度和力学性能分析表明,SLM成形316L不锈钢的最佳工艺参数为扫描速度为850 mm/s,激光功率为230 W,扫描间距为0.08 mm;所成形件的相对密度为97.3%,抗拉强度为622 MPa,断后伸长率为7.17%。


 ②. 通过极差分析表明,对致密度的影响最大的工艺参数是扫描间距,激光功率次之,扫描速度最小。


 ③. 通过极差分析表明,扫描间距对抗拉强度和断后伸长率的影响较大,激光功率和扫描速度的影响较小。


 ④. 通过分析显微组织表明,SLM成形316L不锈钢的晶粒呈椭圆状,晶粒内部分布着大量针状组织,材料的力学性能有所提升。


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