選擇性激光熔化316L不銹鋼粉成形優(yōu)化工藝

趙 燦， 張 佳， 劉錦輝

(黑龍江科技學(xué)院 現(xiàn)代制造工程中心，哈爾濱 150027)

近年來，隨著激光技術(shù)在材料加工領(lǐng)域應(yīng)用的迅速發(fā)展，激光快速成形技術(shù)直接制造致密金屬零件的方法受到廣泛重視，國內(nèi)外相關(guān)研究機(jī)構(gòu)投入大量的人力和物力研究該項(xiàng)技術(shù)。選擇性激光熔化(selective laser melting，SLM)是一種新型激光快速制造技術(shù)，它基于分層－疊加堆積原理，實(shí)現(xiàn)金屬零件的快速制造，使之致密度近乎100%、機(jī)械性能與鍛造工藝成形性能相當(dāng)[1－5]。該技術(shù)具有成形材料廣泛、成形零件無需支撐和成形復(fù)雜結(jié)構(gòu)零件的優(yōu)勢(shì)[6]，被認(rèn)為最具發(fā)展前景的快速制造技術(shù)之一。

316L不銹鋼粉是一種成形性好、制備簡(jiǎn)單、來源廣泛、成本低廉的金屬粉末材料，其不銹鋼的拉伸、壓縮和抗沖擊強(qiáng)度高，有很好的抗氧化性、耐磨和抗腐蝕性能[7]。盡管SLM技術(shù)在金屬零部件的加工成形方面有很大優(yōu)勢(shì)，但其成形零部件存在一些缺陷，如致密度低、加工成形精度差和表面光潔度低等。為此，筆者研究SLM成形零件的主要工藝參數(shù)(激光功率、掃描速度、掃描間距)對(duì)316L不銹鋼粉成形零部件的密度、表面形貌的影響。

1 實(shí)驗(yàn)材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備與材料

實(shí)驗(yàn)設(shè)備采用華中科技大學(xué)研制的HRPM－ⅡB快速成形系統(tǒng)。其技術(shù)參數(shù):CO2激光器功率500 W，掃描方式為振鏡式激光掃描，最大成形空間為250 mm×250 mm×250 mm。

為避免粉末在成形過程中被氧化、減少氧化造成的球化，實(shí)驗(yàn)預(yù)先對(duì)快速成形系統(tǒng)內(nèi)部實(shí)施抽真空處理，相對(duì)真空度為 －0.1 MPa，然后充保護(hù)氣(高純氬氣，99.99%)達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)大氣壓后停止。

實(shí)驗(yàn)選用的基板材質(zhì)為45#鋼，基板表面用無水乙醇做預(yù)處理清洗，保證成形的過程中不受基板加工時(shí)的油污影響。

實(shí)驗(yàn)材料為長沙驊騮公司生產(chǎn)的氣霧化316L不銹鋼粉末，如圖1所示。粉末粒度為38 μm。其粒度的分布，如圖2所示。由圖2可見，粉末粒度尺寸集中在10～50 μm范圍內(nèi)。故30 μm 的鋪粉厚度最為適宜。

圖1 氣霧化316L不銹鋼粉末SEM形貌Fig.1 Gas atomized 316L stainless steel powder SEM micrographs

圖2 粉末粒度大小分布Fig.2 Size of powder particle size distribution

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

工藝設(shè)計(jì)采用正交實(shí)驗(yàn)方法，試樣加工層厚為0.04 mm，粉末在松裝時(shí)的密度為46%。采用逐行掃描的方式，橫豎各1次。成形零件的規(guī)格為20 mm×10 mm×10 mm，零件成形后對(duì)其進(jìn)行表面處理，清理后涂甘油，用排水法測(cè)試樣的致密度，在電鏡下觀測(cè)制作試樣的形貌。

2 結(jié)果與討論

正交實(shí)驗(yàn)與實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示。共設(shè)計(jì)九組工藝參數(shù)，每組測(cè)試一個(gè)試樣。取試樣的致密度值來判定成形零件的質(zhì)量，并對(duì)致密度高的試樣進(jìn)行表面形貌觀測(cè)和金相分析。

表1 SLM工藝參數(shù)正交實(shí)驗(yàn)與結(jié)果Table 1 Process parameters of SLM orthogonal experimental design and results

由表1可見，在不同因素情況下對(duì)應(yīng)的都有3個(gè)不同工藝參數(shù)，分別求出3個(gè)不同參數(shù)的致密度實(shí)驗(yàn)平均值，在200 W的激光功率下致密度的平均值ρz=(65.6%+67.5%+69.7%)/3=67.6%，作圖分析不同的參數(shù)對(duì)致密度的影響趨勢(shì)，結(jié)果如圖3～5所示。

圖3 激光功率對(duì)致密度影響趨勢(shì)Fig.3 Laser power to influence trend of density

圖4 掃描間距對(duì)致密度影響趨勢(shì)Fig.4 Scanning spacing to influence trend of density

圖5 掃描速度對(duì)致密度影響趨勢(shì)Fig.5 Scanning speed to influence trend of density

2.1 各參數(shù)試樣的致密度

實(shí)驗(yàn)表明:200～300 W的激光功率對(duì)零件致密度的影響最大。隨著激光功率不斷增大，激光熔化粉末的能力提高，在激光路徑上粉末熔化充分，熔道深度加深、寬度加大，焊接邊緣的搭接率更高，最終成形零件表面更加完整。同時(shí)，激光能量傳導(dǎo)給整個(gè)零件對(duì)其起到保溫作用，有利于氣泡從熔池里排出。熔池表面平整有利于下次激光的燒結(jié)，因此，致密度增大。另外，降低激光的掃描速度或者減小掃描間距也可以提高零件致密度。

掃描間距對(duì)零件致密度影響不大，隨著掃描間距的減小致密度增加緩慢。這主要是由于伴隨著掃描間距減小單位體積內(nèi)獲得的能量增大導(dǎo)致金屬粉末的熔化量增多所致。但是過于小的掃描間距會(huì)導(dǎo)致激光燒結(jié)金屬粉末時(shí)能量過大最終導(dǎo)致粉末球化，使致密度很難再繼續(xù)升高。

掃描速度從800 mm/s增加到1 000 mm/s時(shí)，試樣致密度明顯減小。這是因?yàn)榧す鈷呙杈€在單位長度內(nèi)的停留的時(shí)間減少，單位長度內(nèi)獲得的能量減小。金屬粉末熔化量的減少會(huì)導(dǎo)致金屬粉末焊接時(shí)的搭接率降低，不能形成非常致密的零件，最終導(dǎo)致試樣致密度減小。但在掃描速度由600 mm/s增大到800 mm/s時(shí)，試樣的成形致密度沒有減小，反而有所增大，其原因可能是在此掃描速度范圍內(nèi)，隨掃描速度增大，粉末對(duì)激光能量的吸收也增大，金屬粉末的熱量的散失率減少。

2.2 試樣表面形貌

由圖6可知，2號(hào)試樣和3號(hào)試樣致密度比較高，分別達(dá)到80.1%和79.5%。

圖6 試樣表面形貌Fig.6 Topography sample surface

由圖6可見，成形區(qū)域內(nèi)的金屬紋理比較明顯，金屬光澤度較好，激光掃描線的搭接率比較連續(xù)。圖6a中明顯的亮顏色和比較暗的顏色分布，代表成形的金屬孔洞。從圖6還可以分析出，激光的掃描方式是分塊掃描，這是由掃描方向的改變而得出的。每一掃描線區(qū)域的粉末熔成液態(tài)時(shí)會(huì)帶著附近的粉末，導(dǎo)致兩條掃描線之間有一些地方熔體搭接為一體，同時(shí)，出現(xiàn)了一些孔洞。這些孔洞使下次熔體流進(jìn)去，能更好的填充孔洞，進(jìn)而提高成形的致密度。由圖6b可見，成形零件的致密度較高，但是表面質(zhì)量不高。

2.3 工藝優(yōu)化后的零件

根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，結(jié)合成形的零部件的形狀，選用激光功率為300 W、掃描間距為0.08 mm，掃描速度為800 mm/s的一組優(yōu)化工藝參數(shù)，成功制得如圖7所示的零件。其中，圖7a為等長葉片葉輪，圖7b為交錯(cuò)葉片葉輪。葉片是比較難加工的零件，交錯(cuò)葉片葉輪比等長葉片葉輪更難加工，選擇性激光熔化技術(shù)的優(yōu)越性得以體現(xiàn)。

圖7 成形葉輪Fig.7 Forming impeller

3 結(jié)束語

選擇性激光熔化316L不銹鋼粉末優(yōu)化后的工藝參數(shù)，可以大幅度地提高零件成形的致密度和成形零件的表面形貌質(zhì)量。當(dāng)選擇性激光熔化優(yōu)化工藝的激光功率300 W、掃描間距0.08 mm、掃描速度800 mm/s時(shí)，成形的零件致密度最大，可成功制備表面形態(tài)良好的葉輪。在激光功率不變的情況下，成形零件的掃描速度和掃描間距在較大的范圍內(nèi)變化，對(duì)成形零件的致密度的影響不大。工藝參數(shù)對(duì)零件成形的致密度和表面形貌均有較大影響。

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