激光掃描角度對316L不銹鋼成型件拉伸性能和致密度的影響

楚蓓蓓 張爭艷 高鐵紅 楊志文

摘要 在不同的激光掃描角度下，利用選擇性激光熔化成型技術(shù)成型316L不銹鋼試件，探究試件的拉伸性能（抗拉強(qiáng)度和延伸率）和致密度，并對成型試件進(jìn)行表面微觀形貌和斷口形貌的觀察。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：當(dāng)激光掃描角度每層旋轉(zhuǎn)15 °時(shí)，成型試件的抗拉強(qiáng)度、延伸率和致密度均較優(yōu)，成型件表面形貌平整，無明顯缺陷，晶粒細(xì)小均勻;激光掃描角度每層旋轉(zhuǎn)0 °時(shí)，成型試件的抗拉強(qiáng)度、延伸率和致密度較差，成型件表面缺陷較多;成型件斷裂方式為韌性斷裂。

關(guān) 鍵 詞 316L不銹鋼;激光掃描角度;抗拉強(qiáng)度;延伸率;致密度

中圖分類號 TH122;TG665? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼 A

Effects of laser scanning angle on tensile properties and relative density of 316L stainless steel forming parts

CHU Beibei1，2， ZHANG Zhengyan1， GAO Tiehong1， YANG Zhiwen1

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

Abstract Under different laser scanning angles， 316L stainless steel specimens are formed by selective laser melting technology， and the tensile properties （tensile strength and elongation） and relative density of specimens are studied. The surface morphology and fracture morphology of the molded specimen were also observed. The experimental results show that when the laser scanning angle is 15 degrees， the tensile strength， elongation and relative density are better; the surface of the molded part is smooth without obvious defects， and the grains are fine and uniform. When the laser scanning angle is 0 degrees， the tensile strength， elongation and density of the molded specimen poor in having more defects on the surface of the molded parts.The fracture mode of the forming parts is ductile fracture.

Key words 316L stainless steel; laser scanning angle; tensile strength; elongation; relative density

0 引言

選擇性激光熔化（Selective Laser Melting，SLM），是近幾年發(fā)展起來的一種快速成型技術(shù)，該技術(shù)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]。目前該技術(shù)廣泛應(yīng)用于汽車機(jī)械、醫(yī)療、航空航天、生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域，這些領(lǐng)域?qū)Τ尚图馁|(zhì)量和性能均有較高的要求。因此國內(nèi)外學(xué)者對成型件的質(zhì)量和性能做了很多研究，Tang等[2]對銅基合金進(jìn)行SLM成型，探究了工藝參數(shù)包括激光功率、鋪粉厚度、掃描速度、掃描間距對成型件致密度、力學(xué)性能等的影響。Liverani等[3]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。Kobryn等[4]發(fā)現(xiàn)SLM成型Ti-6Al-4V時(shí)X、Y軸成型試件的屈服強(qiáng)度大于Z軸成型試件。Amato等[5]發(fā)現(xiàn)SLM成型Inconel 718合金豎直成型試件的維氏硬度大于水平成型試件。華中科技大學(xué)王黎等[6]探究不同成型方向?qū)?16L不銹鋼試件機(jī)械性能的影響，其中水平成型方向性能優(yōu)于高度成型方向;杜膠義等[7]利用SLM技術(shù)探究掃描間距、激光電流、掃描速度和鋪粉厚度對GH4169成型件致密度的影響規(guī)律，優(yōu)化工藝參數(shù)獲得試件的致密度高達(dá)98.45%。綜上所述，國內(nèi)外學(xué)者對鈦合金、不銹鋼、銅基合金等材料進(jìn)行了大量的研究，探究激光功率、掃描速度、掃描策略、成型方向等分別對成型零件機(jī)械性能、致密度、硬度等影響。但探究激光掃描角度對成型件質(zhì)量和性能的影響很少。因此，本文以316L不銹鋼粉末為實(shí)驗(yàn)材料，利用SLM技術(shù)探究激光掃描角度對成型件拉伸性能（抗拉強(qiáng)度和延伸率）、致密度的影響規(guī)律，并利用掃描電鏡對成型件表面微觀形貌和斷口形貌進(jìn)行觀察，分析微觀形貌對零件性能的影響及零件斷裂方式，為優(yōu)化激光掃描角度和制造高性能的金屬零件提供理論基礎(chǔ)。其中激光掃描角度是指試件成型過程中激光掃描線與水平線的夾角。

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

材料選用德國TLS公司的316L不銹鋼粉末，該粉末根據(jù)高壓氬氣霧化法制備得到，金屬液體在高壓氬氣氣流作用下霧化破碎成大量細(xì)小的液滴[8]，在表面張力的作用下形成球狀，待冷卻后自然形成不銹鋼粉末，具有良好的流動性[9]。316L不銹鋼粉末的平均粒徑為30 μm，化學(xué)成分組成如表1所示。

采用國產(chǎn)設(shè)備BLT S200進(jìn)行SLM成型，最大成型空間為105 mm×105 mm×200 mm;采用500 W光纖激光器功率，波長為1 070 mm，掃描方式為振鏡式激光掃描，其中平場聚焦鏡保證了成型區(qū)域內(nèi)每一處的激光功率大小幾乎一致，由于試件為不銹鋼試件，故選用不銹鋼304材料加工成108 mm×127 mm×20 mm的長方體作為基板，使用前用工業(yè)酒精將基板表面進(jìn)行預(yù)處理清洗，保證成型過程中不受表面油污或者其他粉塵影響。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

利用單因素實(shí)驗(yàn)法探究激光掃描角度對SLM成型316L不銹鋼試件拉伸性能（抗拉強(qiáng)度和致密度）和致密度的影響規(guī)律。實(shí)驗(yàn)基本參數(shù)：激光功率220 W，掃描速度960 mm/s，掃描間距0.10 mm，光斑直徑0.10 mm，層厚0.04 mm，zigzag掃描策略，在不同的激光掃描角度條件下成型圖1和圖2所示的拉伸試件和長方體試件3～5個(gè)。其中激光掃描角度分為7組，每組變化角度如圖3所示，從圖中可以看出：成型件起始層激光掃描角度為45 °，之后每一層的角度為前一層的角度加上旋轉(zhuǎn)度數(shù)X，旋轉(zhuǎn)度數(shù)X分別為0 °、15 °、30 °、45 °、60 °、75 °、90 °。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

使用電火花線切割機(jī)對各激光掃描角度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4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4a）中可以看出：在實(shí)驗(yàn)條件下，當(dāng)激光掃描角度每層旋轉(zhuǎn)角度≤15 °時(shí)，抗拉強(qiáng)度隨著旋轉(zhuǎn)角度的增大而增大，當(dāng)15 °<旋轉(zhuǎn)角度<75 °時(shí)，抗拉強(qiáng)度隨著旋轉(zhuǎn)角度的增大而減小，當(dāng)旋轉(zhuǎn)角度≥75 °時(shí)，抗拉強(qiáng)度隨著旋轉(zhuǎn)角度的增大而減小;激光掃描角度的旋轉(zhuǎn)角度為0 °即激光掃描角度在拉伸試件每層的角度一致均為45 °時(shí)，拉伸試件抗拉強(qiáng)度較低，為624.880 MPa;激光掃描角度的旋轉(zhuǎn)角度為15 °時(shí)，拉伸試件的抗拉強(qiáng)度達(dá)到最大，為662.857 MPa。從圖4b）中可以看出，在實(shí)驗(yàn)條件下，延伸率隨激光掃描角度增大的變化規(guī)律同抗拉強(qiáng)度隨角度變化的規(guī)律一致，均是隨著旋轉(zhuǎn)角度的增大先增大后減小，然后再增大減小。激光掃描角度的旋轉(zhuǎn)角度為0 °拉伸試件延伸率較低，為28.7%;激光掃描角度的旋轉(zhuǎn)角度為15 °時(shí)，拉伸試件的抗拉強(qiáng)度達(dá)到最大，為34.8%。

利用排水法對不同工藝參數(shù)下成型的長方體試件進(jìn)行致密度測試，數(shù)據(jù)求取平均整理后如圖5所示，圖中“工”字型表示致密度的誤差范圍。從圖中可以看出：當(dāng)激光掃描角度每層旋轉(zhuǎn)在[0 °， 30 °]區(qū)間的實(shí)驗(yàn)條件下，長方體試件致密度隨著旋轉(zhuǎn)角度的增大呈現(xiàn)先增大后減小趨勢，每層旋轉(zhuǎn)角度在[30 °， 90 °]區(qū)間的實(shí)驗(yàn)條件下，長方體試件致密度隨著旋轉(zhuǎn)角度的增大也呈現(xiàn)先增大后減小趨勢，變化幅度較平緩。當(dāng)旋轉(zhuǎn)角度為15 °時(shí)，長方體試件致密度最大，為96.5%;旋轉(zhuǎn)角度為75 °時(shí)，長方體試件致密度次之，為96.2%;旋轉(zhuǎn)角度為0 °時(shí)，長方體試件致密度較小，為94.3%。

不同的激光掃描角度，每層的掃描線數(shù)量不同，零件的性能也會不同。圖6為掃描線示意圖，其中虛線為起始層角度，直線為旋轉(zhuǎn)角度。從圖6可知：激光掃描角度為0 °時(shí)，不同方向的掃描線共1條;激光掃描角度為15 °時(shí)，不同方向的掃描線共12條;激光掃描角度為30 °時(shí)，不同方向的掃描線共6條;激光掃描角度為45 °時(shí)，不同方向的掃描線共4條;激光掃描角度為60 °時(shí)，不同方向的掃描線共3條;激光掃描角度為75 °時(shí)，不同方向的掃描線為3條以上;激光掃描角度為90 °時(shí)，不同方向的掃描線共2條;結(jié)合成型零件拉伸性能分析可知，成型件抗拉強(qiáng)度隨著激光掃描角度的掃描線數(shù)量的增加而增加，致密度也隨著激光掃描角度的掃描線數(shù)量的增加得到改善。實(shí)驗(yàn)探究結(jié)果與肖飛[10]利用SLM技術(shù)成型304不銹鋼探究激光掃描角度對試件力學(xué)性能的影響規(guī)律相類似。

3 表面微觀形貌和斷口形貌觀察分析

利用日立S—4800場發(fā)射掃描電鏡對不同激光掃描角度下的試件進(jìn)行表面微觀形貌和斷口形貌觀察，觀察結(jié)果如圖7、8所示。

從各激光掃描角度成型試件的表面形貌圖7中可以看出：在激光掃描角度每層旋轉(zhuǎn)角度為0 °時(shí)，試件表面凹凸不平，存在較多孔洞以及未熔粉末，原因是每層旋轉(zhuǎn)角度為0 °，即激光掃描角度在拉伸試件每層的角度均一致，在成型過程中，激光光斑強(qiáng)度呈現(xiàn)近高斯分布，導(dǎo)致激光每一道激光掃描線之后的端面均為近似半圓形，激光掃描過的區(qū)域在搭接過程中會出現(xiàn)一定的縫隙，隨著成型高度的增加，在鋪粉過程中會有粉末進(jìn)入縫隙，激光不能直接熔化縫隙中的粉末，縫隙逐漸加劇，粉末顆粒殘留于縫隙之中，形成孔洞缺陷，使得試件致密度降低，同時(shí)試件的斷裂首先是從零件內(nèi)部的缺陷位置開始的，缺陷位置的應(yīng)力集中，裂紋容易擴(kuò)展，故試件抗拉強(qiáng)度較低。當(dāng)旋轉(zhuǎn)角度不為0 °，掃描試件每層的激光線錯(cuò)開，可在一定程度上消除縫隙等缺陷，改善試件性能。對比旋轉(zhuǎn)角度0 °、75 °和15 °試件表面形貌，75 °和15 °試件表面形貌優(yōu)于0 °試件表面，而15 °試件表面形貌又優(yōu)于75 °試件表面形貌，因?yàn)樵嚰繉有D(zhuǎn)角度不一，每層掃描線數(shù)量也就不同，旋轉(zhuǎn)角度15 °成型時(shí)的掃描線數(shù)量多于75 °，表面成型質(zhì)量更優(yōu)良，無明顯缺陷，晶粒細(xì)小均勻，試件致密度得到提高，抗拉強(qiáng)度變大。

從各激光掃描角度成型試件斷裂的斷口形貌（圖8）可以看出：成型拉伸試件的斷口都分布著大量的韌窩，是典型的韌性斷裂斷口形貌;對比旋轉(zhuǎn)角度0 °、75 °和15 °試件斷口形貌，15 °試件斷口中的韌窩均勻、大且深，表明15 °試件塑性較好即延伸率較大，0 °和75 °試件斷口形貌中韌窩大小不一，還殘留些許粉末顆粒，試件塑性較差。

4 結(jié)論

采用SLM技術(shù)成型316L不銹鋼試件，探究各激光掃描角度對成型試件抗拉強(qiáng)度、延伸率、致密度的影響，具體探究結(jié)果如下。

1）在實(shí)驗(yàn)條件下，當(dāng)激光掃描角度每層旋轉(zhuǎn)角度≤30 °時(shí)，成型試件的抗拉強(qiáng)度、延伸率和致密度均隨著激光掃描角度每層旋轉(zhuǎn)角度的增大均呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢;激光掃描角度每層旋轉(zhuǎn)角度≥30 °時(shí)，成型試件的抗拉強(qiáng)度、延伸率和致密度均隨著激光掃描角度每層旋轉(zhuǎn)角度的增大均呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢。

2）在實(shí)驗(yàn)條件下，激光掃描角度每層旋轉(zhuǎn)15 °時(shí)，成型試件表面形貌平整，無明顯缺陷，晶粒細(xì)小均勻，試件抗拉強(qiáng)度、延伸率和致密度均較優(yōu);激光掃描角度每層旋轉(zhuǎn)0 °時(shí)，成型試件表面凹凸不平，有明顯的孔洞缺陷，試件抗拉強(qiáng)度、延伸率和致密度均較差。

3）利用場發(fā)射掃描電鏡斷口掃描可知：在各激光掃描角度條件下，利用SLM技術(shù)成型的316L不銹鋼試件為韌性斷裂。

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