激光掃描間距對SLM成型0.1 mm不銹鋼薄片表面的影響

李 俊， 楊立軍， 鄭 航

(陜西科技大學 機電工程學院， 陜西 西安 710021)

0 引言

在節(jié)能環(huán)保和產(chǎn)品輕量化的趨勢下，為了達到節(jié)能和輕量化的目的，零件的小型化、一體性和復雜化成為了發(fā)展的趨勢[1,2]，因此制造復雜曲面超薄片已經(jīng)成為了迫切的需求.選區(qū)激光熔化使用高強度能量來熔化粉末這種方法近年來引起了廣泛關(guān)注，為傳統(tǒng)制造方法難以生產(chǎn)的復雜曲面超薄片提供了獨特的制造方式.

與傳統(tǒng)工藝相比，激光選區(qū)熔化(SLM)技術(shù)作為一種增材制造技術(shù)，其原理是利用計算機建模設計出所需部件的三維模型，然后使用激光選區(qū)熔化設備將粉末材料通過逐層疊加的方式制造三維產(chǎn)品.激光選區(qū)熔化技術(shù)具有成型精度高、制造周期短、成本低等優(yōu)點，廣泛應用于航空航天模具制造、醫(yī)療器械等領(lǐng)域[3,4].一般不需要或很少需要熱處理強化或二次熔浸等輔助工藝，可以成形復雜形狀的零部件，包括金屬、合金以及金屬基復合材料[5].近年來，諸多研究單位利用選區(qū)激光成形工藝制備了具有良好綜合性能的金屬或合金塊材料及零件，特別是得益于高能激光器的不斷發(fā)展，可成形鎢和鉭等難熔金屬材料[6,7].

選區(qū)激光熔化工藝具有不同的生產(chǎn)批量、加工時長和成本驅(qū)動因素，需要不同的質(zhì)量控制方法[8-10].由于選區(qū)激光熔化獨特的工藝特點，其需要使用不同以往的設計方法，增材制造設計需要一個新的知識體系來支撐.但是現(xiàn)有的激光選區(qū)熔化(SLM)的研究主要集中在成型缺陷和工藝優(yōu)化，對0.2 mm以下復雜超薄片的研究較少[11,12].例如，Lore Thijs等[13]發(fā)現(xiàn)選區(qū)激光熔化過程中微結(jié)構(gòu)演化的關(guān)鍵參數(shù)，是冷卻過程中的熱梯度和熔池中的熱流方向；Simchi[14]發(fā)現(xiàn)熔池溫度隨著激光能量密度的增加而升高，這有利于液體孔隙的填充；Kruth[15]研究發(fā)現(xiàn)通過降低掃描度會導致不規(guī)則的熔池形成，進而導致晶粒尺寸增大、孔隙增大.

316L不銹鋼屬于奧氏體不銹鋼，具有優(yōu)異的耐腐蝕性、抗氧化性、高溫和低溫力學性能、生物中性以及良好的食品相容性等[16-19]，廣泛應用于交通電力、石油化工、航空航天、航海國防，以及輕工紡織、醫(yī)學食品等領(lǐng)域[20].

已有文獻顯示，目前還沒有關(guān)于不同激光掃描間距對成型厚度0.1 mm的316L不銹鋼薄片影響的詳細研究.鑒于此，本文建立不同激光掃描間距對厚度0.1 mm的316L不銹鋼薄片的成型、表面硬度、表面粗糙度的研究方案，為制造厚度0.1 mm的316L不銹鋼薄片工藝提供理論依據(jù).

1 實驗部分

1.1 實驗材料與儀器

1.1.1 實驗材料

本實驗選用廣州納聯(lián)材料科技有限公司生產(chǎn)的316L不銹鋼金屬粉末，粉末的參數(shù)和特征見表1和表2所示，形貌如圖1所示.

表1 316L不銹鋼粉末化成分(wt.%)

表2 316L不銹鋼粉粉末粒度分布( μm)

圖1 316L不銹鋼粉末形貌圖

1.1.2 實驗儀器

本實驗采用中國廣州雷佳公司研發(fā)的金屬3D打印機Dimetal 50進行實驗.該設備最大激光功率75 W，20μm超小激光光斑，分層0.02～0.1 mm，在氮氣保護氛圍下進行實驗.

1.2 實驗方法

本實驗固定激光功率72 W、激光掃描速度400 mm/s、成型厚度0.03 mm、激光旋轉(zhuǎn)角73 °等參數(shù).采用掃描間距分別為0.005 mm、0.01 mm、0.03 mm、0.06 mm、0.09 mm，對厚度0.1 mm的316L不銹鋼薄片進行工藝實驗，分別制備5組實驗，每組5個測試樣件，共25個測試樣件.對成型的25個測試樣件的成型、表面硬度、表面粗糙度的規(guī)律進行探究，優(yōu)化厚度0.1 mm的316L不銹鋼薄片制造工藝，實驗樣件如圖2所示.

圖2 樣件尺寸示意圖

2 結(jié)果與討論

2.1 激光掃描間距與0.1 mm薄片成型分析

選用激光選區(qū)熔化成型厚度為0.1 mm的316L不銹鋼薄片，在不同的激光掃描間距參數(shù)下只有部分薄片能夠完整成型，因此本實驗主旨研究厚度為0.1 mm薄片的未成型影響因素，以及掃描間距對成型0.1 mm薄片的表面性能影響規(guī)律.

零件加工的形狀尺寸精度，是加工的最基本要求.從成型的薄片中可以觀察到，隨掃描間距的縮小，薄片成型完整程度也隨之增加；當激光掃描間距為0.03 mm時，成型完整度達到95%以上，當激光掃描間距小于等于0.01 mm時，薄片成型完整程度為100%.為了探究激光掃描間距與成型厚度0.1 mm不銹鋼薄片的影響關(guān)系，使用光學顯微鏡對不同掃描間距下的不銹鋼薄片進行分析觀察，其結(jié)果如圖3所示.

(a)掃描間距0.09 mm (b)掃描間距0.06 mm

(c)掃描間距0.03 mm (d)掃描間距0.01 mm

(e)掃描間距0.005 mm圖3 不同激光掃描間距下成型薄片的表面微觀圖

由圖3可知，通過對其分析與觀察發(fā)現(xiàn)隨著激光掃描間距的減小，成型缺陷的面積也隨之減小.當激光掃描間距為0.01 mm時，成型缺陷面積為零，但隨之出現(xiàn)過熔現(xiàn)象，激光掃描間距越小過熔現(xiàn)象越為嚴重.成型缺陷主要原因是熔道上下、左右之間搭接失敗，造成厚度0.1 mm薄片成型出現(xiàn)缺陷或者大量的缺失現(xiàn)象，熔道搭接示意如圖4所示.

圖4 熔道搭接示意圖

在激光選區(qū)熔化成型過程中，上下、左右熔道搭接部分為圖4所示重熔部分，零件的成型是通過若干組上下、左右熔道搭組合而成.成型厚度0.1 mm不銹鋼薄片也是通過上下、左右熔道之間的搭接而成.由圖4可知，激光掃描間距越小，單位面積內(nèi)上下熔道組數(shù)量也隨之增加，上下兩層的搭接面積(重熔部分)越大.

由圖3(a)、(b)可知，激光掃描間距過大時，0.1 mm不銹鋼薄片表面存在的成型缺陷面積越大；由圖3(d)、(e)可知，激光掃描間距過小時，0.1 mm不銹鋼薄片表面出現(xiàn)了嚴重的過熔(圖4所示過度重熔部分)和飛濺現(xiàn)象.通過圖3所示的表面微觀圖分析可知，3(c)所示微觀形貌相對于其它四組最優(yōu).

圖4顯示在掃描間距為0.09 mm和0.06 mm時，由于相鄰熔道的掃描間距過大，造成相鄰熔道左右搭接(圖4所示重熔部分)高度小于層厚高度，上下層熔道組數(shù)量較少，造成上下搭接(圖4所示重熔部分)面積小于每層成型面積，最終造成薄片表面強度不足和成型缺陷面積過大.掃描間距為0.01 mm和0.005 mm時，由于相鄰熔道的掃描間距過小，雖然其上下和左右熔道搭接強度和面積完全符合要求，但是造成了圖4所示的過度重熔面積急劇增加，薄片成型區(qū)域經(jīng)受激光多次重復熔化，造成薄片表面出現(xiàn)飛濺物和過熔現(xiàn)象.掃描間距為0.03 mm時，掃描間距接近最優(yōu)參數(shù)，其上下和左右熔道搭接程度最優(yōu).

綜上所述可知，激光掃描間距過大時熔道搭接部分較少，出現(xiàn)熔道之間粉末未能完全熔融或熔化液相金屬較少，導致粘粉和未熔現(xiàn)象的產(chǎn)生，降低鋪粉均勻性，使試樣內(nèi)部和表面出現(xiàn)較多孔洞和凸起，造成成型缺陷.激光掃描間距過小時，圖4所示過度重熔部分大量出現(xiàn)，使熔池內(nèi)部形成較大的溫度梯度，導致Marangoni效應增強，試樣內(nèi)部出現(xiàn)較多孔洞，試件表面出現(xiàn)飛濺物和過熔現(xiàn)象.

2.2 成型薄片的表面形貌和粗糙度分析

本實驗結(jié)合薄片微觀形貌與表面粗糙度整體分析，研究不同激光掃描間距對成型0.1 mm不銹鋼薄片表面粗糙度的影響規(guī)律.首先對0.1 mm不銹鋼薄片的微觀形貌進行分析，其結(jié)果如圖5所示.

(a)掃描間距0.09 mm (b)掃描間距0.06 mm

(c)掃描間距0.03 mm (d)掃描間距0.01 mm

(e)掃描間距0.005 mm圖5 成型薄片的表面微觀形貌高度等色圖

通過對圖5所示形貌的觀察和分析可知，圖5(c)所示的形貌最為平緩和均勻，圖5(e)所示的形貌高度差最大、表面形貌最為凹凸不平.對圖5所示微觀形貌進行整體分析得到，從圖5(a)到圖5(c)所示的薄片表面形貌逐漸變得平緩，從圖5(c)到圖5(e)所示的薄片表面形貌逐漸變得陡峭和凹凸不平.

表3為薄片表面粗糙度高度特征參數(shù)的檢測數(shù)據(jù).通過對表3的數(shù)據(jù)分析可知，激光掃描間距為0.030 mm時，不銹鋼薄片的表面粗糙度最好；激光掃描間距為0.005 mm時，不銹鋼薄片的表面粗糙度最差，與上述圖5所示的結(jié)果分析基本吻合.在機械粗糙度基本評定的參數(shù)中，一般優(yōu)先選用Ra.以下，將對本實驗中的Ra進行主要分析，結(jié)果如圖6所示.

圖6 薄片的表面輪廓算術(shù)平均高度Ra

表3 薄片表面粗糙度的高度特征參數(shù)

掃描間距/mmRz/ μmRc/ μmRt/ μmRa/ μmRq/ μm0.09047.57522.80947.5758.59311.0120.06048.15948.15948.1598.210.2260.03032.37927.28632.3797.4398.4710.01060.04133.15160.04110.57815.8910.00562.95822.25162.95813.42413.668

由圖6可知，隨著激光掃描間距的縮小，不銹鋼薄片的表面粗糙度Ra先減小后增大.當掃描間距小于0.030 mm時，不銹鋼薄片的表面粗糙度Ra急劇增加.結(jié)合圖5和圖6分析可知，當掃描間距從0.090 mm到0.030 mm時，不銹鋼薄片的表面粗糙度Ra減小，主要原因是由于掃面間距過大，不銹鋼薄片的熔道搭接不完整，出現(xiàn)成型缺陷；隨著掃面間距繼續(xù)減小，薄片表面的成型缺陷減少，薄片熔道的搭接越來越完整，因此不銹鋼薄片表面粗糙度Ra減小.掃描間距從0.03 mm到0.005 mm時，不銹鋼薄片表面粗糙度Ra急劇增大，它主要原因是由于掃面間距過小，不銹鋼薄片的熔道搭接過度，出現(xiàn)過熔和飛濺物現(xiàn)象；隨著掃面間距繼續(xù)減小，不銹鋼薄片表面過熔和飛濺物現(xiàn)象急劇增加，因此不銹鋼薄片表面的粗糙度Ra急劇增大.

綜上所述可知，當激光掃描間距過大時，成型單位面積內(nèi)吸收的激光能量較少，出現(xiàn)粉末熔化和液相金屬量少，導致粘粉和未熔現(xiàn)象的產(chǎn)生，使試樣表面出現(xiàn)凸起現(xiàn)象，增加了其表面粗糙度.激光掃描間距過小時，使成型單位面積內(nèi)吸收的激光能量過大，導致不銹鋼粉過度熔化出現(xiàn)液滴飛濺，落下的液滴形成凸起，增大了試樣表面的粗糙度.

2.3 成型薄片的表面形貌和粗糙度分析

表面硬度是指物體表面抵抗變形或損傷的能力，合適的表面硬度可以增加零件的耐磨性和減少粘合零件之間的力學屏蔽，延長零件的壽命，減少零件表面的損壞.表面硬度對零件的用途和壽命有巨大的影響.本實驗對成型厚度為0.1 mm的316L不銹鋼薄片表面硬度進行測量，結(jié)果如圖7所示.

圖7 成型厚度0.1 mm薄片的表面硬度

通過對圖7分析可知，隨著激光掃描間距的縮小，成型薄片表面硬度也隨之增加.為了進一步探究掃描間距與表面硬度之間的關(guān)系，對薄片表面進行打磨拋光后，觀察薄片表面(SEM)顯微組織，確定表面顯微組織與表面硬度之間的關(guān)系，其表面微觀組織如圖8所示.

(a)掃描間距0.09 mm (b)掃描間距0.06 mm

(c)掃描間距0.03 mm (d)掃描間距0.01 mm

(e)掃描間距0.005 mm圖8 成型薄片的表面顯微組織SEM圖

由圖8(a)所示的薄片表面顯微組織進可得，當激光掃描間距越大，薄片表面的孔隙和裂紋越多，薄片表面下的空洞面積越大；由圖8(d)、(e)所示的薄片表面顯微組織進可得，激光掃描間距越小，薄片表面的孔隙和裂紋越少，當激光掃描間距小于0.03 mm時，薄片表面上的孔隙、裂紋和表面下的空洞基本消失，并出現(xiàn)過熔現(xiàn)象.

隨著激光掃描間距的縮小，由于薄片表面上孔隙、裂紋和表面下空洞的消失，薄片的表面致密度和表面硬度增加；當薄片表面上孔隙、裂紋和薄片表面下空洞基本消失后，由于出現(xiàn)過熔組織，即金屬經(jīng)過激光重復多次熔化后，薄片表面上分布有粒狀碳化物組織，表面晶粒縮小，最終導致薄片的表面硬度進一步增加.

綜上所述可知，當激光掃描間距過大時，單位面積內(nèi)粉末吸收的激光能量較小，使粉末未完全熔化，導致試樣內(nèi)部缺陷增多，且試樣組織不均勻，使薄片表面微硬度較低.激光掃描間距過小時，單位面積內(nèi)粉末吸收的激光能量較大，粉末熔融狀態(tài)變好，晶?？s小，使薄片表面微硬度增加.

3 結(jié)論

在一定參數(shù)范圍內(nèi)，研究不同激光掃描間距對激光選區(qū)熔化成型厚度0.1 mm不銹鋼薄片的表面影響.

(1)在薄片成型方面，影響薄片成型的主要因素為熔道的上下、左右搭接.隨著激光掃描間距的縮小，熔道的搭接越好，激光掃描間距為0.03 mm時，熔道搭接處于最優(yōu)狀態(tài)附近，當激光掃描間距小于0.03 mm時，熔道搭接處出現(xiàn)過熔現(xiàn)象.

(2)在薄片表面形貌和粗糙度方面，影響薄片表面粗糙度Ra的主要原因：① 由于熔道搭接不完整，出現(xiàn)了成型缺陷；② 由于熔道搭接過度，出現(xiàn)過熔和飛濺現(xiàn)象.其中，過熔和飛濺現(xiàn)象對不銹鋼薄片表面的粗糙度Ra影響最大.當激光掃描間距為0.03 mm左右時，不銹鋼薄片表面形貌和粗糙度最優(yōu)，Ra為7.439μm.

(3)在薄片表面硬度方面，影響薄片表面硬度的主要原因：① 薄片表面上的孔隙、裂紋和表面下的空洞；② 薄片表面上的過熔組織.隨著激光掃描間距的縮小，薄片表面上的孔隙、裂紋和表面下的空洞逐漸消失，薄片表面過熔組織逐漸增加，表面晶?？s小，薄片表面的硬度也隨之增加.