丛佳琦1,计云萍1,2,3,王 磊1,康学良1,2,3,李一鸣2,3,任慧平2,3

(内蒙古科技大学1.材料与冶金学院(稀土学院), 2.白云鄂博共伴生矿资源高效综合利用省部共建协同创新中心,包头014010; 3.内蒙古自治区新金属材料重点实验室,包头014010)

摘 要:选区激光熔化(SLM)是目前应用最广泛的金属增材制造技术之一。SLM 成形零件中 不可避免会产生许多缺陷,包括孔隙、表层粉末球化、裂纹等;缺陷的形成不仅会影响成形过程的顺 利进行,也会破坏零件内部完整性,降低零件的服役性能。对SLM 成形316L不锈钢零件中孔隙、 表层粉末球化、裂纹3种缺陷的主要特征进行了综述,对这3种缺陷的形成机理和影响因素进行了 总结,提出了控制缺陷的主要措施,最后给出了今后的研究方向。

关键词:SLM 技术;316L不锈钢;缺陷;形成机理;影响因素 中图分类号:TG249.9 文献标志码:A 文章编号:1000-3738(2023)02-0001-06

0 引 言

316L不锈钢(国标牌号022Cr17Ni12Mo2)是 一种超低碳奥氏体不锈钢,具有优良的耐腐蚀性能、 冲击韧性和高温力学性能,广泛用于生物医学、航空 航天、核能、机械等领域零件的制造[1]。其中,船用 螺旋桨、发动机涡轮叶片等零件的形状很复杂,采用 传统方法制造往往存在制造周期长、难度大、成本高 等问题。与传统制造技术相比,增材制造技术可实 现近净成形,从而节省材料并缩短生产周期[2]。选 区激光熔化(selectivelasermelting,SLM)是目前 应用最广泛的金属增材制造技术之一,该技术基于 计算机辅助设计模型,使用高功率激光束使金属粉 末局部熔化随后快速凝固,通过道道扫描、层层堆叠 的方式成形出完整的零件。目前,SLM 技术广泛用于成形316L不锈钢、钛合金、铝合金和钴铬合金等 零件[3-4]。但是,SLM 成形不可避免地会在零件中 产生缺陷,包括孔隙、表层粉末球化、裂纹等。缺陷 的形成不仅会影响成形过程的顺利进行,也会破坏 零件内部完整性,降低零件的服役性能。因此,掌握 SLM 成形过程中缺陷的产生机理及其影响因素具 有重要意义。目前国内外主要通过大量试验方法来 调整SLM 工艺以获得高致密的零件,但是有关缺 陷的形成机理与控制方法尚需深入研究[5-6]。为了 给相关研究人员提供参考,并为预测、控制缺陷,提 高成形性提供一定的理论参考,作者综述了 SLM 成形316L不锈钢零件中缺陷的类型、形成机理及 影响因素。

1 缺陷的类型

1.1 孔 隙

孔隙是SLM 成形件中最常见的缺陷。由于熔 池内部会发生复杂的冶金物理化学反应,成形件中 的孔隙不可能完全避免。国内外学者对于孔隙的研 究主要集中在孔隙的检测方法、孔隙对于性能的影 响,以及孔隙控制3个方面。SLM 成形316L不锈 钢零件中的孔隙按照形貌大致可分为3种:气孔、匙 孔和未熔合孔隙。气孔的形状近于球形,具有光滑 的边缘[7],尺寸从亚微米到几十微米不等[8-9]。匙孔 因其形状类似钥匙孔而得名,其截面形貌相对规 则[10],平均直径可高达几百微米[9]。大尺寸的匙孔 破坏了零件的连续性,在零件使用过程中会成为应 力集中位置,诱发微裂纹,影响零件的力学性能。未 熔合孔隙是缺乏冶金结合导致的一类缺陷,其长度 可达几百微米,通常沿熔池边界形成,跨越几个熔 池,在其内部可以观察到尚未熔化的粉末[7]。未熔 合孔隙会导致零件的疲劳寿命和疲劳极限明显下 降[11-12]。

1.2 表层粉末球化

表层粉末球化是SLM 成形过程中金属熔滴在 表面张力作用下向球形转变的现象,也是工艺参数 偏离最佳成形窗口最直接的表现。表层粉末球化是 可以在SLM 成形零件表面直接观察到的现象,目 前有关这方面的研究主要集中在球化颗粒的尺寸和 分布特征上,未见关于粉末球化对零件内部缺陷影 响的研究。SLM 成形316L不锈钢零件表层粉末球 化可分大尺寸粉末球化与小尺寸粉末球化,大尺寸 粉末球化的颗粒通常呈椭球形,尺寸可达几百微米, 小尺寸粉末球化颗粒的球形度较高,尺寸一般小于 10μm [13]。大尺寸粉末球化可以通过调整SLM 工 艺参数来避免,小尺寸粉末球化则无法避免。大尺 寸粉末球化会在成形过程中使表面形成明显凸起, 影响下一层粉末均匀铺展,使零件内部产生缺陷,降 低致密性。小尺寸粉末球化由于颗粒尺寸小于粉末 层厚度,对成形件质量影响较小[14-15]。

1.3 裂 纹

裂纹是SLM 成形零件中非常具有破坏性的缺 陷;当零件承受一定载荷时,裂纹会迅速扩展,导致 零件报废[16-18]。根据作者对SLM 成形316L不锈 钢零件形貌的观察以及国内外学者的研究结果发 现,SLM 成形316L不锈钢零件中几乎不会形成明 显的裂纹。但是,潘露等[17-18]在采用SLM 技术制 备316L不锈钢零件时发现了裂纹,并将裂纹分为 孔隙聚集型裂纹、气泡聚集型裂纹和热裂纹3类。 孔隙聚集型裂纹由多个孔隙连接而成,其形成与孔 隙的形成相关;气泡聚集型裂纹由气泡聚集而形成, 这与熔池内部滞留的气体有关;热裂纹由主裂纹和 二次裂纹构成,其中主裂纹呈折线状延伸。裂纹的 出现会使SLM 成形316L不锈钢零件发生变形,增 加开裂分层的风险,从而恶化材料的力学性能,缩短 零件的使用寿命。

2 缺陷的形成机理

2.1 孔隙的形成机理

大多学者认为气孔的形成是滞留在熔池中的气 体造成的;但有关气体的来源,不同学者有不同的看 法。ABOULKHAIR [19]认为气孔是粉末所携带的 孔隙造成的,或者是成形过程中滞留在零件中的保 护气 体 (如 氮 气、氩 气)形 成 的;而 GALY [20]、 TAN [8]两位学者认为气体来自制粉过程中夹带的 惰性气体以及合金元素的蒸发;还有学者认为气孔 可能是在成形下一层的过程中刮刀将上一层飞溅到 成形表面的熔滴颗粒带走而形成的[21]。 国内外学者主要采用高能束 X射线衍射仪分 析SLM 成形过程中熔池的变化,并对缺陷的形成 机理进行了研究[22-23]。在高激光功率和低扫描速 度的参数下,激光能量较大,导致大量金属蒸发,在 金属液面产生向下的作用力,致使熔融金属向下凹 陷,熔池形状变得窄而深,形似钥匙,熔池的这种变 化称为匙孔模式。由于熔池凝固速率快,金属蒸气 来不及逸出,就留在了熔池内部,形成匙孔[8,10,24-26]。 2 丛佳琦,等:选区激光熔化成形316L不锈钢零件中的缺陷及形成机理研究进展 因此,匙孔一般位于熔池底部。 未熔合孔隙是由于成形件中道与道之间或层与 层之间没有实现良好冶金结合导致的。当激光功率 低、扫描速度快、体能量密度低时,激光热输入小,造 成熔池温度低,无法形成足够的金属液使相邻层、相 邻熔道之间有效重叠,从而形成未熔合孔隙[27]。通 过优化工艺参数来实现道与道以及层与层之间的完 全冶金结合,是避免未熔合孔隙形成的主要方法。

2.2 表层粉末球化机理

表层粉末球化是熔化后的粉末在表面张力作用 下倾向于形成表面能低的球形颗粒造成的。许多研 究者将大尺寸粉末球化现象的产生归结为液态金属 与固态金属表面的润湿问题[14,28]。当气、液相间表 面张力与液、固相间表面张力的夹角θ小于90°时, 熔滴可以均匀地铺展在前一层上,不会形成粉末球 化现象;反之,当夹角θ大于90°时,熔滴会凝固成 球形颗粒黏附于前一层上,形成粉末球化现象。周 鑫[29]考虑界面氧化、杂质和温度梯度等因素的影响 后,提出当熔滴铺展时间小于熔滴凝固时间时可避 免粉末球化,其中熔滴铺展时间与材料本身的物理 性能密不可分,而熔滴凝固时间与熔滴温度有关。 研究[29-30]发现,当 316L 不锈钢熔滴的温度超过 2100K时,凝固时间会超过铺展时间(61.4μs),成 形过程中不易出现大尺寸粉末球化现象。增大激光 体能量的输入,提高熔滴温度可避免大尺寸粉末球 化,保证成形性能。小尺寸粉末球化与激光对熔滴 的冲击有关;熔滴将激光的动能转化为表面能而变 成细小球状,凝固后形成球形颗粒,因此小尺寸粉末 球化现象难以避免。

2.3 裂纹的形成机理

裂纹的产生与残余应力有着密切的关系。在粉 末熔融和凝固过程中,液、固相变导致的体积变化会 在熔池内部及附近区域产生较大的残余应力。此 外,成形件上层的熔融金属升温速率较下层已经凝 固部分的升温速率大,较大的温度梯度使成形件内 部产生残余应力;同时在后续的凝固过程中,熔融金 属与下层凝固部分的散热条件不同,导致2个部分 的冷却速率不同,也会使得成形件中产生残余应力。 当残余应力大于材料的极限强度时就会出现裂 纹[31-32]。由于SLM 成形熔池内温度梯度与长大速 率之比较大,凝固过程易产生穿越几个熔池的晶粒, 形成发达的柱状晶;这种微观结构易使裂纹沿着晶 界扩展[8,33]。残余应力的产生也与材料本身的物理 性质有关,一般弹性模量高以及熔点高的材料,其热 应力较大,产生应力集中的可能性也较大[34]。由于 SLM 成形过程中的热输入位置变化快,零件不同区 域温度分布不均匀,并且温度场连续变化,导致零件 中的应力场也在时刻变化,因此SLM 成形过程中 温度场和应力场的实时监控很困难。目前,多采用 有限元模拟的方法对成形过程中温度场和应力场进 行分析[35]。

3 缺陷的影响因素

3.1 SLM 工艺参数

学者们对SLM 工艺参数中的激光功率、扫描 速度、扫描间距、扫描策略等进行了相关研究,发现 激光功率和扫描速度对缺陷的影响最为显著。激光 功率与扫描速度会影响熔池的形状,进而影响缺陷 的形成。研究[36-37]发现,随着扫描速度的增加,熔 池温度降低,熔池的润湿性变差,难以铺展,熔池内 的粉末颗粒不能完全熔化,熔道之间不连续,零件中 易形成大尺寸的未熔合孔隙。但是过低的扫描速度 会导致孔隙生长,不利于提高零件致密性[38]。激光 功率通过影响熔池的深度来影响零件的致密性。在 较低激光功率下,熔池较浅,熔池之间不能有效搭 接,在道与道之间、层与层之间会产生未熔合孔隙; 在较高激光功率下,熔池较深较窄,会增加前一层凝 固部 分 的 重 熔 程 度,更 容 易 得 到 高 致 密 的 零 件[39-41]。但是深而窄的熔池,其熔化模式易转变为 匙孔,使零件中形成匙孔,从而降低零件的致密 性[10]。 激光体能量密度可反映材料单位体积的激光能 量输入,与激光功率、扫描速度、扫描间距、铺粉厚度 4个工艺参数有关。较大的激光体能量密度可以消 除零件中的未熔合孔隙,并且避免大尺寸粉末球化, 但是容易使熔池进入匙孔模式而产生匙孔,因此应 在一个适当的工艺窗口下增加激光功率或减小扫描 速度。PENG等[42]研究发现,当激光体能量密度大 于30J·mm-3时,SLM 成形316L不锈钢零件中不 规则的未熔合孔隙消失,但是当激光体能量密度大 于80J·mm-3时,零件中出现匙孔。ZHANG等[43] 认为,当激光体能量密度在75.76~151.52J·mm-3 时,可避免SLM 成形316L不锈钢零件中形成未熔 合孔隙,而当激光体能量密度大于151.52J·mm-3 时,零件中则会产生匙孔。TUCHO 等[44]研究发 现,当激光体能量密度在65~80J·mm-3时,SLM 3 丛佳琦,等:选区激光熔化成形316L不锈钢零件中的缺陷及形成机理研究进展 成形316L 不锈钢零件的孔隙率小于1%。刘艳 等[45]通过试验得到,SLM 成形316L不锈钢零件获 得较高相对密度的最佳体积能量密度为62.1J· mm-3。作者前期研究发现,在激光体能量密度为 50~100J·mm-3时SLM 成形316L不锈钢零件的 相对密度大于99%。为了提高工艺优化的效率,可 结合数值模拟研究不同工艺参数下的熔池形状、温 度场和应力场等,探讨工艺参数对SLM 成形316L 不锈钢零件缺陷的影响。

3.2 粉末相关参数

粉末粒度和粒度分布对SLM 成形零件的致密 性影响较大。较细的粉末颗粒有较大的比表面积, 能够更好地吸收激光能量,同时较细的粉末颗粒更 容易填充到大尺寸颗粒的缝隙中,增加粉末的松装 密度,从而提高零件的致密性[46-47]。粒度分布较窄 的粉末有团聚倾向,而粒度分布较宽的粉末有偏析 倾向,因此粒度分布较宽和较窄均会导致零件内部 出现孔隙及表层粉末球化现象。 粉末中的氧也会影响SLM 成形零件中缺陷的 形成;粉末中的氧可能来自于粉末本身,也可能来自 于成形气氛。粉末表面的氧化层会加大对激光能量 的吸收,增加熔池体积,影响固相金属和液相金属之 间的润湿性,破坏熔道之间的结合[28]。粉末中较高 含量的氧会导致马兰戈尼对流逆转,使金属液由熔 池边缘流向熔池中心,导致熔池形状变得深而窄,影 响熔滴的铺展行为,也会将未熔化粉末带进熔池内 部,使成形零件熔道之间形成未熔合孔隙[29]。 在SLM 成形过程中,循环使用的316L不锈钢 粉末因带有弱磁性而易造成零件中出现缺陷和翘 曲。研究[48-49]发现,循环多次的316L不锈钢粉末 中含有δ铁素体,提高了粉末的磁性。带有弱磁性 的粉末会严重影响SLM 铺粉过程,影响粉末层厚 度的均匀性,从而影响粉末对激光能量的吸收,进而 在零件内部产生气孔、未熔合孔隙等缺陷[50]。

4 结束语

SLM 成形316L不锈钢零件中的缺陷类型主要 包括孔隙、表层粉末球化、裂纹等,这些缺陷不仅会 降低零件的致密性,还会导致零件性能达不到使用 要求。气孔的产生与滞留在熔池内部的气体有关; 过高或过低的激光体能量密度易导致零件内部出现 匙孔、未熔合孔隙、表层粉末球化缺陷;裂纹的产生 与残余应力密切相关。影响缺陷形成的因素主要包 括工艺参数及粉末相关的参数两方面。减少缺陷最 直接且最有效的方法是在工艺窗口范围内适当增加 激光功率或减小扫描速度。同时,采用粒度小、氧含 量低的粉末也会减少缺陷的形成。由于SLM 成形 过程复杂难以研究,目前的研究工作不能精准控制 缺陷的产生,因此未来的研究工作应主要集中在: (1)结合成形过程中温度场及熔池特征的数值模拟, 优化工艺参数,减少成形件中缺陷的产生;(2)通过 微量成分调整,消除柱状晶,以避免裂纹沿晶扩展; (3)借助应力场的数值模拟,分析应力分布的关键控 制因素,减少或消除裂纹;(4)探索消除粉末中δ铁 素体的方法,提高循环粉末利用率。

来源：材料与测试网