SLM工藝參數(shù)對(duì)316L不銹鋼試件拉伸性能的影響

張爭(zhēng)艷 楚蓓蓓 王磊 高鐵紅

摘要?采用選擇性激光熔化成型技術(shù)對(duì)316L不銹鋼粉末進(jìn)行工藝參數(shù)優(yōu)化實(shí)驗(yàn)，以期獲得拉伸性能優(yōu)良的316L成型件。利用單因素實(shí)驗(yàn)法和正交試驗(yàn)探究激光功率、掃描速度和掃描間距等工藝參數(shù)對(duì)316L不銹鋼成型試件拉伸性能（抗拉強(qiáng)度和延伸率）的影響，確定最優(yōu)工藝參數(shù)水平組合。研究結(jié)果表明：激光功率對(duì)316L不銹鋼成型件抗拉強(qiáng)度和延伸率均有顯著影響，掃描速度和掃描間距的影響次之;在實(shí)驗(yàn)條件下，成型件拉伸性能最優(yōu)工藝參數(shù)水平組合為：激光功率220?W、掃描速度960?mm/s、掃描間距0.14?mm。

關(guān)?鍵?詞?選擇性激光熔化;316L不銹鋼;工藝參數(shù);抗拉強(qiáng)度;延伸率

中圖分類號(hào)?TG665?????文獻(xiàn)標(biāo)志碼?A

Effects?of?process?parameters?on?tensile?property?of?316L?stainless?steel?parts?by?selective?laser?melting

ZHANG?Zhengyan1，?CHU?Beibei1，2，?WANG?Lei3，?GAO?Tiehong1

（1.?School?of?Mechanical?Engineering，?Hebei?Technology?of?University，?Tianjin?300130，?China;?2.?Shanxi?Aerospace?Qinghua?Equipment?Co?Ltd，?Changzhi，?Shanxi?046000，?China;?3.?School?of?Materials?Science?and?Engineering，?Hebei?Technology?of?University，?Tianjin?300130，?China）

Abstract?In?order?to?obtain?excellent?tensile?properties?of?316L?molded?parts，selective?laser?melting?technology?were?used?to?optimize?process?parameters?for?316L?stainless?steel?powder.?The?process?parameters?including?the?laser?power，the?scanning?speed?and?the?scanning?interval?working?on?tensile?properties?（tensile?strength?and?elongation）?of?316L?stainless?steel?molded?specimens?were?studied?by?single?factor?experiment?and?orthogonal?test?to?determine?the?optimal?combination?of?its?parameters.The?results?showed?that?the?laser?power?had?a?more?significant?effect?on?the?tensile?strength?and?elongation?of?316L?stainless?steel?forming?parts?than?that?on?the?scanning?speed?and?the?scanning?interval.?Under?the?experimental?conditions，?in?view?of?the?tensile?properties?of?the?molded?parts，?the?optimal?combination?of?process?parameters?is：220?W?of?the?laser?power，?960?mm/s?of?the?scanning?speed，?and?0.14?mm?of?the?scanning?interval.

Key?words?selective?laser?melting;?316Lstainless?steel;?process?parameters;?tensile?strength;?elongation

0?引言

選擇性激光熔化技術(shù)（Selective?Laser?Melting，SLM）是利用金屬粉末在激光束的熱作用下完全熔化，經(jīng)冷卻凝固進(jìn)行成型[1]。該技術(shù)可直接成型接近完全致密的金屬零件，廣泛應(yīng)用于航空航天、生物醫(yī)學(xué)、汽車、模具等領(lǐng)域[2-4]，這些領(lǐng)域?qū)Τ尚图馁|(zhì)量和性能都有很高的要求，所以提高成型件質(zhì)量、改善其性能是國(guó)內(nèi)外諸多學(xué)者的研究熱點(diǎn)。

Thijs等[5]通過(guò)探究?jī)?yōu)化能量密度、掃描速度、掃描間距、掃描策略等工藝參數(shù)，最終成型Ti-6Al-4V成型件，使其致密度高達(dá)99.9%;Liverani等[6]從微觀結(jié)構(gòu)、缺陷形成和力學(xué)性能入手，最終確定選擇合適的工藝參數(shù)進(jìn)行SLM成型;Buchbinder等[7]探究激光功率對(duì)鋁合金致密度的影響，并利用高功率激光功率成型出致密度達(dá)99.5%、抗拉強(qiáng)度達(dá)400?MPa的鋁合金試件;李洋等[8]探究SLM掃描間距對(duì)制備316L多孔不銹鋼的力學(xué)性能的研究，結(jié)果表明隨著掃描間距的增大，316L多孔不銹鋼的抗壓強(qiáng)度及彈性模量均減小;郭國(guó)林[9]等在5?kW激光功率下探究激光掃描速度對(duì)304不銹鋼薄板搭接接頭組織和性能的影響，掃描速度為72?mm/min時(shí)，焊接接頭的抗拉強(qiáng)度接近于母材的強(qiáng)度;趙燦等[10]利用正交試驗(yàn)探究激光功率、掃描速度和掃描間距對(duì)成型件致密度的影響，確定最優(yōu)水平組合。綜上所述，研究重點(diǎn)均放于各工藝參數(shù)對(duì)單一性能的影響探究，并尋求最優(yōu)水平組合。鑒于此，基于SLM技術(shù)成型316L不銹鋼試件，通過(guò)單因素實(shí)驗(yàn)和正交試驗(yàn)探究工藝參數(shù)激光功率、掃描速度和掃描間距對(duì)成型件拉伸性能（抗拉強(qiáng)度和延伸率）的影響規(guī)律，尋求拉伸性能最優(yōu)工藝參數(shù)水平組合。

1?實(shí)驗(yàn)材料、設(shè)備及方法

1.1?實(shí)驗(yàn)材料及設(shè)備

實(shí)驗(yàn)材料選用德國(guó)TLS公司根據(jù)高壓氣霧法[11]制備的316L不銹鋼粉末，化學(xué)組分如表1所示，平均粒徑為30?μm。

采用國(guó)產(chǎn)設(shè)備BLT?S200對(duì)316L不銹鋼粉末進(jìn)行成型，設(shè)備最大成型空間為105?mm×105?mm×200?mm;采用500?W光纖激光器功率進(jìn)行振鏡式激光掃描，波長(zhǎng)為1?070?mm。成型基板為304不銹鋼材料，實(shí)驗(yàn)前用工業(yè)酒精將基板表面進(jìn)行預(yù)處理清洗，保證成型過(guò)程中不受表面油污或者其他粉塵影響。成型過(guò)程中使用氬氣作為保護(hù)氣，氧含量（體積比）控制在0.08%以下。

1.2?實(shí)驗(yàn)方法

單因素實(shí)驗(yàn)：成型如圖1所示的拉伸試件，選取加工參數(shù)如下：激光功率180～260?W、掃描速度640～1?280?mm/s、掃描間距0.06～0.22?mm，每個(gè)工藝參數(shù)分為5組，每組成型3～5個(gè)拉伸試件，利用單因素實(shí)驗(yàn)法探究各工藝參數(shù)對(duì)成型零件拉伸性能（抗拉強(qiáng)度和延伸率）的影響規(guī)律，并利用掃描電鏡對(duì)成型零件進(jìn)行表面微觀形貌和斷口形貌的觀察分析。

正交試驗(yàn)：在單因素實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，選擇正交試驗(yàn)的因素水平，設(shè)計(jì)表2所示的L9（33）正交試驗(yàn)，共進(jìn)行9組實(shí)驗(yàn)，每組成型3～5個(gè)拉伸試件，分析探究三因素對(duì)成型零件拉伸性能的顯著影響因素，尋求最優(yōu)水平組合。

2?實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1?單因素實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

使用電火花線切割機(jī)對(duì)各工藝參數(shù)成型之后的拉伸試件進(jìn)行切割，并進(jìn)行表面處理，使用Instron?3365材料試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行拉伸實(shí)驗(yàn)，各實(shí)驗(yàn)結(jié)果求取平均整理后如圖2所示。圖中“工”字型分別表示抗拉強(qiáng)度和延伸率的誤差范圍。

從圖2a）～?c）中可以看出，隨著激光功率、掃描速度和掃描間距的增大，拉伸件的抗拉強(qiáng)度均呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，激光功率為220?W時(shí)，拉伸件抗拉強(qiáng)度最大;掃描速度為960?mm/s時(shí)，拉伸件抗拉強(qiáng)度最大;掃描間距為0.14?mm時(shí)，拉伸件抗拉強(qiáng)度最大。從圖2d）～?f）中可以看出，隨著激光功率增大，拉伸件的延伸率呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢(shì)，激光功率為260?W時(shí)，拉伸件延伸率最大;隨著掃描速度增大，拉伸件的延伸率呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢(shì)，掃描速度為1?280?mm/s時(shí)，拉伸件延伸率最大;隨著掃描間距增大，拉伸件的延伸率呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，掃描間距為0.14?mm時(shí)，拉伸件延伸率最大。

利用日立S—4800場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡對(duì)成型件進(jìn)行表面形貌和斷口形貌觀察，觀察結(jié)果如圖3和圖4所示。

從圖3a）和b）中可以看出：在激光功率為180?W條件下成型件表面形貌存在諸多孔洞的出現(xiàn)，出現(xiàn)此現(xiàn)象的原因是在試件成型過(guò)程中充滿氬氣作為保護(hù)氣，冷卻時(shí)氬氣來(lái)不及溢出，最終成型為氣孔。當(dāng)激光功率過(guò)小時(shí)，金屬粉末無(wú)法獲得足夠的熱量充分熔化，試件在冷卻過(guò)程中會(huì)夾雜粉末，隨著成型件高度的增加，粉塵堆積，最后形成孔洞。從圖3c）和d）中可以看出：在掃描速度為640?mm/s條件下成型件表面形貌不平滑，存在凸起顆粒，因?yàn)樵谝欢ǖ募す夤β屎蛼呙栝g距下，掃描速度影響金屬粉末吸收激光所釋放的熱量的多少，掃描速度為640?mm/s時(shí)，單位面積上金屬粉末吸收的激光熱量過(guò)多，容易造成金屬粉末過(guò)熔，出現(xiàn)飛濺等現(xiàn)象，造成粉末顆粒聚集形成凸起。從圖3e）和f）中可以看出：在掃描間距為0.10?mm/s條件下成型件表面形貌不光滑平整，存在些許粉塵、孔洞、裂紋等缺陷。因?yàn)樵诩す鈷呙璩尚蜁r(shí)，激光鄰近區(qū)域會(huì)利用激光余熱進(jìn)行重熔，掃描間距越小，重熔的區(qū)域會(huì)越大、次數(shù)會(huì)越多，多次進(jìn)行熔化冷卻使得成型件質(zhì)量下降。由于缺陷位置的應(yīng)力集中，裂紋容易擴(kuò)展，所以缺陷處最先出現(xiàn)斷裂。

從圖4斷口形貌中可以看出：在各工藝參數(shù)成型試件的斷口都分布著大量的韌窩，韌窩是微孔形核長(zhǎng)大和聚合在斷口上留下的痕跡，是典型的韌性斷裂斷口形貌。

2.2?正交試驗(yàn)結(jié)果與分析

使用電火花線切割機(jī)對(duì)正交試驗(yàn)下成型的9組拉伸試件進(jìn)行切割，并進(jìn)行表面處理，使用Instron?3365材料試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行拉伸實(shí)驗(yàn)，各實(shí)驗(yàn)結(jié)果取平均整理后如表3所示。

對(duì)表3中的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行極差分析，分析結(jié)果如表4所示，因素水平與拉伸性能的趨勢(shì)圖如圖5所示。在極差分析中，指標(biāo)和[Ki]或者指標(biāo)平均值[ki]用來(lái)反映激光功率P、掃描速度V和掃描間距D對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)抗拉強(qiáng)度和延伸率影響的大小;極差R，用來(lái)表示工藝參數(shù)對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)的影響力，極差越大表明該工藝參數(shù)對(duì)指標(biāo)的影響力大，為主要因子，極差越小表明該參數(shù)因子對(duì)指標(biāo)的影響力小，為次要因子。

抗拉強(qiáng)度極差結(jié)果分析：根據(jù)試驗(yàn)指標(biāo)抗拉強(qiáng)度越大越好，在激光功率P抗拉強(qiáng)度一欄中，[K3>K2>K1]，可判定[P3]為激光功率的優(yōu)水平;同理，可判斷掃描速度V和掃描間距D的優(yōu)水平為[V3]和[D2]，所以優(yōu)水平組合為[P3V3D2]，即優(yōu)水平工藝參數(shù)為激光功率220?W、掃描速度960?mm/s和掃描間距0.10?mm。比較極差[Rj]可知[RP>RV>RD]，所以工藝參數(shù)對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)抗拉強(qiáng)度的影響的主次順序?yàn)镻VD，即激光功率影響最大，其次是掃描速度，掃描間距影響最小。

延伸率極差結(jié)果分析：根據(jù)試驗(yàn)指標(biāo)延伸率越大越好，在激光功率P延伸率一欄中，[K2>K3>K1]，可判定P2為激光功率的優(yōu)水平;同理，可判斷掃描速度V和掃描間距D的優(yōu)水平為V3和D3，所以優(yōu)水平組合為[P2V3D3]，即優(yōu)水平工藝參數(shù)為激光功率200?W、掃描速度960?mm/s和掃描間距0.14?mm。比較極差[Rj]可知[RP>RD>RV]，所以工藝參數(shù)對(duì)試驗(yàn)指標(biāo)抗拉強(qiáng)度的影響的主次順序?yàn)镻DV，即激光功率影響最大，其次是掃描間距，掃描速度影響最小。

拉伸性能最優(yōu)組合：對(duì)抗拉強(qiáng)度和延伸率指標(biāo)的2個(gè)優(yōu)水平組合進(jìn)行分析比較，掃描速度在兩個(gè)最優(yōu)水平中，最優(yōu)水平皆為[V3]，故選取[V3]為最優(yōu)水平組合;激光功率在2個(gè)試驗(yàn)指標(biāo)中皆為主要因子且優(yōu)水平不同，采用極差化的方法進(jìn)行判別，選擇[P3]為最優(yōu)水平組合;掃描間距在2個(gè)試驗(yàn)指標(biāo)中皆為次要因子，但其對(duì)延伸率的影響力大于對(duì)抗拉強(qiáng)度的影響力，故按影響力的優(yōu)先次序選擇[D3]為最優(yōu)水平組合。經(jīng)綜合平衡分析，SLM成型零件拉伸性能的最優(yōu)水平組合為[P3V3D3]

3?結(jié)論

采用SLM技術(shù)成型316L不銹鋼試件，探究各工藝參數(shù)對(duì)成型試件拉伸性能的影響，具體探究結(jié)果如下：

1）在單因素實(shí)驗(yàn)探究下，成型試件的抗拉強(qiáng)度隨著激光功率、掃描速度和掃描間距的增大均呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì);成型試件的延伸率隨著激光功率的增大呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢(shì);隨著掃描速度增大呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢(shì);隨著掃描間距的增大呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)。

2）利用場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡對(duì)各工藝參數(shù)成型件進(jìn)行斷口掃描可知，SLM技術(shù)成型的不銹鋼試件為韌性斷裂。

3）各工藝參數(shù)對(duì)SLM成型試件抗拉強(qiáng)度影響的主次順序?yàn)椋杭す夤β?gt;掃描速度>掃描間距;各工藝參數(shù)對(duì)SLM成型試件延伸率影響的主次順序?yàn)椋杭す夤β?gt;掃描間距>掃描速度。

4）在實(shí)驗(yàn)條件下，成型件拉伸性能最優(yōu)工藝參數(shù)水平組合為：激光功率220?W、掃描速度960?mm/s、掃描間距0.14?mm。

參考文獻(xiàn)：

[1]????章文獻(xiàn).?選擇性激光熔化快速成形關(guān)鍵技術(shù)研究[D].?武漢：華中科技大學(xué)，2008.

[2]????MARGA?F，JAKAB?K，KHATIWALA?C，et?al.?Toward?engineering?functional?organ?modules?by?additive?manufacturing[J].?Biofabrication，2012，4（2）：022001.

[3]????VAEZI?M，SEITZ?H，YANG?S?F.?A?review?on?3D?micro-additive?manufacturing?technologies[J].?The?International?Journal?of?Advanced?Manufacturing?Technology，2013，67（5/6/7/8）：1721-1754.

[4]????袁茂強(qiáng)，郭立杰，王永強(qiáng)，等.?增材制造技術(shù)的應(yīng)用及其發(fā)展[J].?機(jī)床與液壓，2016，44（5）：183-188.

[5]????THIJS?L，VERHAEGHE?F，CRAEGHS?T，et?al.?A?study?of?the?microstructural?evolution?during?selective?laser?melting?of?Ti–6Al–4V[J].?Acta?Materialia，2010，58（9）：3303-3312.

[6]????LIVERANI?E，TOSCHI?S，CESCHINI?L，et?al.?Effect?of?selective?laser?melting?（SLM）?process?parameters?on?microstructure?and?mechanical?properties?of?316L?austenitic?stainless?steel[J].?Journal?of?Materials?Processing?Technology，2017，249：255-263.

[7]????BUCHBINDER?D，SCHLEIFENBAUM?H，HEIDRICH?S，et?al.?High?power?selective?laser?melting?（HP?SLM）?of?aluminum?parts[J].?Physics?Procedia，2011，12：271-278.

[8]????李洋，陳長(zhǎng)軍，王曉南，等.?選區(qū)激光熔化技術(shù)制備316L多孔不銹鋼工藝及性能研究[J].?應(yīng)用激光，2015，35（3）：319-323.

[9]????郭國(guó)林，戴國(guó)洪，周自強(qiáng)，等.?激光掃描速度對(duì)304不銹鋼薄板組織和性能的影響[J].?機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2018（3）：195-197.

[10]??趙燦，張佳，劉錦輝.?選擇性激光熔化316L不銹鋼粉成形優(yōu)化工藝[J].?黑龍江科技學(xué)院學(xué)報(bào)，2013，23（1）：47-50.

[11]??姚妮娜，彭雄厚.?3D打印金屬粉末的制備方法[J].?四川有色金屬，2013（4）：48-51.

[責(zé)任編輯????楊????屹]