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分享:316L不锈钢粉选择性激光熔化成形工艺 及成形后的性能

2022-01-25 09:19:58 

刘 艳1,李宗义1,2,张晓刚1,张 昊2

(1.兰州理工大学机电工程学院,兰州 730050;2.甘肃机电职业技术学院,天水 741001)

摘 要:对316L不锈钢粉进行选择性激光熔化成形,利用正交试验方法分析激光功率、扫描速度和扫描间距对成形试样相对密度、拉伸性能和微观形貌的影响,得到了最佳工艺参数.结果表明:成形试样的抗拉强度、屈服强度和相对密度均随激光功率或扫描速度的增加先增后降,随扫描间距的增加而增大;伸长率随激光功率的增加先降后增,随扫描速度的增加而增大,随扫描间距的增加变化很小;最佳工艺参数组合为激光功率310W,扫描速度960mm??s-1,扫描间距0.13mm;在最佳工艺下成形后试样的相对密度、抗拉强度和屈服强度均最大,分别为99.53%,613MPa和320MPa,伸长率为44.6%,成形试样的表面平整,孔隙较小,拉伸断口上的韧窝细小均匀,且球化现象较少.

关键词:316L不锈钢粉;选择性激光熔化;拉伸性能;相对密度;正交试验

中图分类号:TG142.1 文献标志码:A 文章编号:1000G3738(2018)05G0040G05

0 引 言

选择性激光熔化是20世纪90年代发展起来的一种新技术,该技术可实现金属粉体的直接成形,具有良好的发展前景.选择性激光熔化成形工艺的加工过程[1G2]为:使用三维软件设计零件的三维模型,在分层软件中对该模型进行切片处理,将生成的信息导入到工作台中;根据切片处理生成的信息,使用激光对粉体进行选区扫描,粉体吸收激光能量而熔化,快速黏接在一起,以此逐层堆积,直至成形出零件.316L不锈 钢 粉 中 含 有 一 定 量 的 镍 (Ni)和 铬(Cr),成形后具有较好的塑性和耐磨性,且可在苛刻工况下使用;316L 不锈钢的应用范围广泛,且价格合理,未来发展前景良好;但采用传统工艺进行加工成形时,其工艺要求很高,若零件结构较复杂,则加工工序繁琐、生产周期长、成本高.近年来,选 择 性 激 光 熔 化 (SLM)技 术 发 展 较快,国外的相关研究较多.BALC等[3]使用SLM 技术对大型零件进行修复;PAUL 等[4]研究了激光快

速成形工艺对Inconel625不锈钢力学性能的影响;KEMPEN 等[5]探讨了 SLM 工艺对18NiG300钢力学性能的影响;YASA 等[6]研究了激光重熔对SLM成形316L 不 锈 钢 显 微 组 织 的 影 响.而 国 内 有 关SLM 工艺的研究大多为基础研究,研究内容多集中在激光设备的内部结构组成、应用领域、成形材料制备及性能研究等方面,而对成形过程中工艺参数控制的研究较少.因此,作者以316L 不锈钢粉为原料进行SLM 成形,研究了激光功率、扫描速度、扫描间距等参数对成形试样相对密度和力学性能的影响,得到了优化工艺参数.


1 试样制备与试验方法

1.1 试样制备

试验原料为气雾化法制备的 316L 不锈钢粉,化学成分见表1,显微组织及粒径分布见图1.由图1可以看出,粉体颗粒基本呈球形,其大小不一,平均粒径为46.37μm.



试验设备为 BLTS300型金属打印机,用刮刀将316L 不锈钢粉均匀地铺在基板上,使用波长为1064nm 光纤激光器对不锈钢粉进行 SLM 成形,通过逐层铺粉、逐层扫描的方式直接成形出试样,铺粉厚度为0.04 mm,扫描方式选用 ZigZag,扫描完一层后,旋转90°扫描.SLM 直接成形的拉伸试样尺寸如图2所示,密度测试试样的尺寸为5 mm×5mm×5mm.


SLM 过程中影响成形件力学性能的参数有很多,如激光功率、扫描速度、扫描间距、铺粉厚度、扫描方式以及旋转角度等[7G8].作者在单因素试验的基础上,选择激光功率(A)、扫描速度(B)和扫描间距(C)作为影响因素,并确定了三个水平,选用 L9(34)表进行正交试验,因素水平如表2所示.


1.2 试验方法

密度测试试样经超声波清洗、酒精冲洗后,用JSMG5600LV 型低真空扫描电子显微镜观察微观形貌.采用阿基米德法测试试样的密度,测试天平的精度为0.001g.相对密度的计算公式为


式中:ρ相 为相对密度;ρ为实测密度;ρ标 为316L不锈钢粉的理论密度,取7.93g??cm-3.

采用 WDWG1E型微机控制电子式万能试验机进行拉伸试验,拉伸速度为1mm??min-1,用JSMG5600LV 型低真空 扫 描 电 子 显 微 镜 观 察 拉 伸 断 口形貌.

2 试验结果与讨论

2.1 工艺参数优化

由表3可以看出:试样的抗拉强度、屈服强度和相对密度均随激光功率或扫描速度的增加先增后降,随扫描间距的增加而增大,各因素对这3个指标的影响由大到小排序均为扫描速度、激光功率、扫描间距,优化参数组合为 A2B2C3,即激光功率310W、扫描速度960mm??s-1、扫描间距0.13mm;伸长率随激光功率的增加先降后增,随扫描速度的增加而增大,随扫描间距的增加变化很小,其优化参数组合为A3B3C3,即激光功率360 W、扫描 速 度 1060mm??

s-1、扫描间距0.13mm.综合考虑各项指标后,确定试验的最佳参数组合为激光功率310W、扫描速度960mm??s-1、扫描间距0.13mm.在该工艺参数下对316L 不锈钢粉进行SLM 成形,测得其成形试样的抗拉强度为613MPa,屈服强度为320MPa,伸长率为44.6%,相对密度为

99.53%.与其他9组试验结果相比,该组参数 SLM成形试样的抗拉强度、屈服强度和相对密度最大,伸长率虽较低,但与最大值相差很小.因此,试验得到的最佳工艺参数合理.


2.2 微观组织与断口形貌

能量输入密度φ 的物理意义是单位扫描面积所得到的能量,其计算公式为φ=P/(vs) (2)式中:P 为激光功率;v 为扫描速度;s为扫描间距.由式(2)可见,φ 为激光功率、扫描速度和扫描间距的函数,可以作为综合评估这3个因素对成形试样性能影响的参数.

由图3可见:随着能量输入密度的增加,成形试样的相对密度、抗拉强度和屈服强度均先增后降,伸长率则先降后增;当能量输入密度为2.48J??mm-2时,试样的相对密度、抗拉强度和屈服强度均最大,但伸长率相对较低.

选择在3组工艺参数下成形的试样进行对比:

(1)激光功率310 W、扫描速度960mm??s-1和扫描间距0.13 mm,即能量输入密度为2.48J??mm-2;

(2)激光功率360 W、扫描速度860mm??s-1和扫描间距0.11 mm,即能量输入密度为3.81J??mm-2;

(3)激光功率260 W、扫描速度1060mm??s-1和扫描间距0.13mm,即能量输入密度为1.89J??mm-2.

由图4和图5可知:当能量输入密度为2.48J??mm-2时,成形试样的表面光滑连续,比较平整,孔隙较小,拉伸断口上的韧窝细小均匀,且球化现象较少;当能量输入密度为3.81J??mm-2时,成形试样表



面的孔隙很多,且孔隙尺寸较大,拉伸断口上有球化和开裂现象;当能量输入密度为1.89J??mm-2,成形试样表面的孔隙同样较多,且拉伸断口上也存在球化现象.

综上所述:当激光功率较低时,液相生成不充分,导致粉体流动性差而难以生成烧结表面;扫描速度较高时,液相存在时间较短,同样会导致流动性差而引起烧结体分层和球化,此外粉体吸收的能量也变少,熔池冷却速率加快,导致烧结表面质量较差;当扫描间距较大时,粉体不能充分熔化,相邻烧结轨道不能完全黏接在一起,导致下一层铺粉不均匀.因此,在能量输入密度为1.89J??mm-2下的成形试样的性能较差,其抗拉强度和屈服强度分别为542,277MPa,伸长率为46.8%,相对密度为95.56%.

当激光功率增大、扫描速度相应减小,即能量输入密度增大时,粉床温度升高,使大量粉体熔化形成适量的液相,并降低了熔体的黏度和表面张力,粉体流动性增强,熔池连续形成,从而使得试样的相对密度和力学性能提高[8G10].因此,当能量输入密度增至2.48J??mm-2时,试样的相对密度和拉伸性能均较佳,其抗拉和屈服强度分别为613,320 MPa,伸长率为44.6%,相对密度为99.53%.当能量输入密度过高,即激光功率较高、扫描速度和扫描间距较小时,液相生成过多且液相存在时间过长,会引起球化和开裂,造成烧结体收缩变形,并且还会延长成形时间.因此,在能量输入密度为3.81J??mm-2时,试样的相对密度和拉伸性能较差,其抗拉和屈服强度分别为550,283 MPa,伸长率为

46.1%,相对密度为96.60%.适当的能量输入密度能使固液润湿性能达到最优,液相中结构颗粒适当重排,实现高质量烧结;当采用较低的扫描速度、较小的扫描间距和相对较高的激光功率进行 SLM 成形时,产生的液相较多、烧结时间较长,成形试样的相对密度较高[11G12];能量输入密度过大时,液相存在时间过长会产生球化抑制烧结,降低成形试样的相对密度和力学性能.

3 结 论

(1)成形试样的抗拉强度、屈服强度和相对密度均随激光功率或扫描速度的增加先增后降,随扫描间距的增加而增大;伸长率随激光功率的增加先降后增,随扫描速度的增加而增大,随扫描间距的增加变化很小.


(2)采用SLM 成形316L不锈钢粉时的最佳工艺参数组合为激光功率310 W、扫描速度960mm??s-1、扫描间距0.13mm,成形后试样的相对密度和抗拉、屈服强度均最大,分别为99.53%,613 MPa和320MPa,伸长率适中,为44.6%.

(3)在优化工艺参数(能量输入密度为2.48J??mm-2)下,成形试样的表面光滑连续,比较平整,孔隙较小,拉伸断口上的韧窝细小均匀,且球化现象较少;当扫 描 速 度 降 至 860 mm??s-1、扫 描 间 距 降至0.11mm,即能量输入密度为3.81J??mm-2时,成形试样表面的孔隙很多,且孔隙尺寸较大,拉伸断口上有球化和开裂现象;当激光功率降至260W、扫描速度增至1060 mm??s-1,即能量输入密度为1.89J??mm-2时,成形试样表面的孔隙同样较多,且拉伸断口上也存在球化现象