激光選區(qū)熔化成形18Ni300模具鋼的致密度和缺陷研究

郭東海，馮 濤，周靖超，王昌鎮(zhèn)，吳朋越

（北京易加三維科技有限公司，北京102206）

激光選區(qū)熔化（selective laser melting，SLM）具有成形周期短、制造成本低、個性化一體成形的優(yōu)勢，使模具制造突破鉆孔方式的一些局限性，可設(shè)計并制造高自由度的冷卻水路，保證模具以均勻的速度散熱[1]。18Ni300馬氏體時效鋼是一種超高強(qiáng)度鋼,在時效處理后熱變形小、熱處理工藝簡單、焊接性能優(yōu)良、尺寸收縮均勻穩(wěn)定，在模具領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用[2]。成形效率和致密度是注塑模具對SLM成形技術(shù)應(yīng)用關(guān)注的重難點，成形件致密度會影響模具的拋光性、導(dǎo)熱率、沖擊強(qiáng)度、使用壽命，特別是用于光學(xué)、車燈等需高拋光的模具，成形件的致密度和內(nèi)部缺陷的數(shù)量、尺寸控制顯得尤其重要；此外，使用較大的成形層厚，可大幅提高零件的加工效率，降低加工成本。

國內(nèi)外針對SLM成形參數(shù)對致密度、內(nèi)部缺陷的影響開展了一系列的研究。安超等[3]通過試驗，認(rèn)為各工藝參數(shù)對致密度的影響程度從大到小依次為鋪粉厚度、激光功率、掃描間距、掃描速度；陳帥等[4-5]對H13模具鋼的缺陷類型和工藝參數(shù)對致密度的影響進(jìn)行了研究；白玉超[6]對18Ni300的成形致密度影響因素機(jī)理進(jìn)行了研究。但上述研究大都是在較小成形層厚、較低功率下進(jìn)行，為更好地滿足模具對加工效率的需求，本文在60μm大成形層厚、300～400 W的高激光功率條件下研究不同參數(shù)對SLM成形試樣的致密度、內(nèi)部缺陷的影響，并優(yōu)化出相關(guān)工藝參數(shù)。

1 實驗部分

1.1 實驗材料

實驗選用進(jìn)口氣霧化的18Ni300模具鋼球形粉末，粒徑為15～45μm，化學(xué)成分見表1。

表1 18Ni300模具鋼粉末化學(xué)成分

1.2 實驗設(shè)備

實驗采用自主研發(fā)的EP-M250型激光選區(qū)熔化成形設(shè)備（圖1），該設(shè)備搭載波長為1064 nm、功率為500 W的連續(xù)式光纖激光器，經(jīng)擴(kuò)束鏡、F-θ鏡聚焦后，在打印平面的光斑直徑為70μm；設(shè)備最大成形尺寸為258 mm×258 mm×320 mm，送粉方式為下送粉。

圖1 EP-M250型激光選區(qū)熔化成形設(shè)備

1.3 實驗方法

設(shè)計不同的工藝參數(shù)，進(jìn)行致密度試樣塊成形，每個參數(shù)成形2個，步驟如下：

（1）將尺寸為10 mm×10 mm×10 mm的試樣塊模型文件使用自主開發(fā)的EP-hatch軟件進(jìn)行切片并填充路徑，將處理后的數(shù)據(jù)導(dǎo)入設(shè)備的打印控制軟件。

（2）在設(shè)備中加入烘干后的粉末，成形基板為Q235鋼，保護(hù)氣為氬氣，腔室氧的體積分?jǐn)?shù)低于0.1%時開始打印成形。

（3）打印完成后，取出成形基板，使用電火花線切割的方式將試樣塊從基板上移除。

將成形試樣表面磨光，無水乙醇清潔并干燥后，依據(jù)阿基米德原理用排水法測試成形件密度，與鈷鉻合金理論密度作比值以獲得成形件的致密度。排水法計算成形件致密度ρ的公式為：

式中：ρ0為模具鋼的理論密度，8.1 g/cm3；ρ水為純水的密度，1 g/cm3；W空氣為成形試樣在空氣中的質(zhì)量；W水為成形試樣在水中的質(zhì)量。

在金相磨樣機(jī)上使用砂紙進(jìn)行打磨，然后用磨粒粒度為2μm的金剛石拋光膏在呢絨拋光布上拋光，得到金相試樣，在金相顯微鏡下觀察試樣的缺陷。在放大倍率為100倍的金相視野下，對拋光區(qū)域的圖像進(jìn)行采集，采用圖像處理軟件對金相照片進(jìn)行閾值分割，并進(jìn)行孔隙區(qū)域和非孔隙區(qū)域的像素面積統(tǒng)計，最后計算出孔隙率[7]。

2 結(jié)果與討論

2.1 工藝參數(shù)對致密度的影響

同一型號設(shè)備，在激光功率、掃描速度、掃描間距、打印層厚等工藝參數(shù)中，打印層厚對加工效率和零件的致密度影響最為顯著[3]。在實驗參數(shù)設(shè)計中，打印層厚為60μm，激光功率分別選定300、350、400 W，定義線能量密度E=P/V，設(shè)定線能量密度為300～600 J/m，調(diào)整掃描速度來設(shè)計12組不同的工藝參數(shù)，參數(shù)設(shè)計和對應(yīng)的致密度測試結(jié)果見表2。根據(jù)表2中所述數(shù)據(jù)，將不同線能量密度、不同激光功率所對應(yīng)的致密度作圖分析兩者對致密度的影響規(guī)律，見圖2和圖3。

表2 不同工藝參數(shù)試樣塊的致密度

由圖2可見，在相同功率、不同線能量條件下，隨著線能量的升高，試樣的致密度均呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢，當(dāng)線能量在400～500 J/m時，致密度最高，可達(dá)99.92%，這是由于激光在熔化大層厚金屬粉末時，線能量較小導(dǎo)致粉末吸收的熱量較少，使金屬粉末未完全熔化，熔池過熱度太小造成金屬液黏度過大，浸潤性變差而引起球化，造成了成形界面狀況惡化，影響鋪粉質(zhì)量，導(dǎo)致成形件致密度較低；反之，隨著線能量的增大，熔池流動性增大、鋪粉狀況穩(wěn)定，形成熔池的寬度和深度也相應(yīng)增加，相鄰熔道和層間結(jié)合更緊密，成形件致密度增加。

圖2 不同功率下線能量密度對致密度的影響曲線圖

圖3 不同線能量下激光功率對致密度的影響曲線圖

由圖3可見，在同一線能量密度條件下，激光功率為350 W的試樣致密度明顯高于300 W和400 W，這是由于大層厚成形過程中，打印層在成形方向由多層球形粉末堆積而成，球形粉末間的導(dǎo)熱率遠(yuǎn)低于實體金屬，激光功率較低（300 W）時，若通過降低掃描速度來提高線能量密度，上層粉末在單位時間內(nèi)吸收能量過多而不能及時把熱量傳導(dǎo)至下層粉末，造成熔池上部流動性過大，凝固后形成的金屬實體上表面過于粗糙，不利于后續(xù)的鋪粉和成形件的致密化；反之，激光功率較高（400 W）時，掃描速度也相應(yīng)增大，熔池的穩(wěn)定性和連續(xù)性就會變差，過程中產(chǎn)生的飛濺也會增多，這些都是成形致密零件的不利因素。

2.2 成形缺陷分析

分別將不同功率下致密度最高的試樣2#、7#、11#，350 W下線能量密度最低的試樣5#和最高的試樣8#鑲樣、打磨、拋光制成金相樣品，在光學(xué)顯微鏡下觀察得到典型視野見圖4，將上述試樣的孔隙率和最大尺寸的缺陷進(jìn)行統(tǒng)計，結(jié)果見表3。對比試樣2#、7#、11#的顯微形貌和孔隙率可知，當(dāng)線能量密度不變時，隨著激光功率升高，孔隙率和最大缺陷尺寸均呈現(xiàn)先升高后降低；對比試樣5#、7#、8#可知，當(dāng)激光功率不變時，隨著線能量密度的升高，亦出現(xiàn)孔隙率和最大缺陷尺寸先升高后降低的趨勢。深入分析，激光功率、線能量密度較低時，易出現(xiàn)匙孔狀長條缺陷；激光功率、線能量密度過高時，容易出現(xiàn)尺寸較大的孔洞缺陷、氣孔缺陷。當(dāng)激光功率為350 W、線能量密度為500 J/m時，成形件的孔隙率和缺陷尺寸均最小，分別為0.018%和15μm。

圖4 試樣的典型顯微形貌

表3 部分試樣中孔隙率和最大缺陷尺寸統(tǒng)計表

SLM成形是一個復(fù)雜動態(tài)非平衡的過程，涉及傳熱、熔化、相變、氣化和傳質(zhì)等現(xiàn)象，熔池內(nèi)會發(fā)生氣化、飛濺、熔體匯聚，使試樣因缺少足夠的液態(tài)金屬填充空隙而出現(xiàn)孔洞、夾雜等缺陷[8]。

成形件中存在的主要缺陷包括長條狀的鑰匙缺陷、尺寸小于15μm的氣孔缺陷和尺寸較大、形狀為類球形或不規(guī)則形狀的孔洞缺陷。匙孔缺陷呈現(xiàn)不規(guī)則的長條狀，尺寸在30μm以上，引起該類缺陷的主要原因有：①激光功率或線能量密度過低時，造成孔隙過多，當(dāng)分散的孔隙或氣泡相互連接時，會貫穿成整體長條，形成微裂紋；②層厚較大、線能量密度較低時，熔池上下部產(chǎn)生了較大的溫度梯度，應(yīng)力較大導(dǎo)致了微裂紋的產(chǎn)生。適當(dāng)提高激光功率或線能量密度之后，該類缺陷會減少。

氣孔缺陷呈現(xiàn)圓孔狀形貌，數(shù)量較多，尺寸在15μm以下，引起該類缺陷的主要原因有：①粉末中有空心粉存在，粉末在熔化后，氣孔未排出；②粉末尺寸分布不合理、松裝密度較低時，粉末堆積之間孔隙較多，熔化后孔隙中的氣體未完全上浮排出；③激光功率較高或線能量密度較大時，熔池上方反應(yīng)劇烈，低熔點元素氣化量增多，在凝固過程中形成氣孔。

孔洞缺陷形貌為類球形或不規(guī)則形狀，尺寸較大，在50μm以上，引起該類缺陷的主要原因有：①激光功率和線能量密度增加到一定值后，熔化的金屬液體將會發(fā)生汽化、飛濺現(xiàn)象，熔滴飛濺顆粒較大，粘附到下層熔池中，破壞了鋪粉的平整性和金屬基體的連續(xù)性，在拋光后，飛濺顆粒脫落，呈現(xiàn)為不規(guī)則的空洞狀；②由于能量過低，粉末熔化不夠充分，金屬熔體流動性過差，出現(xiàn)了不連續(xù)的單道，在當(dāng)前平面遺留大量空隙，下層粉末覆蓋并熔化后形成了孔狀缺陷；③由于能量過低，使熔池與底層基體的潤濕性較差，難以均勻鋪展，凝固收縮為大尺寸球化顆粒，同樣會影響下層鋪粉效果，形成與①所述類似的缺陷。

3 結(jié)論

（1）在激光選區(qū)熔化成形層厚為60μm的18Ni300模具鋼粉末時，成形件的致密度隨線能量密度的升高呈先上升后下降的趨勢，致密度最高的線能量密度為500 J/m；當(dāng)線能量密度保持不變時，成形件的致密度隨激光功率的升高也出現(xiàn)先上升后下降的趨勢，當(dāng)激光功率為350 W時，成形件的致密度最高，為99.92%。

（2）線能量和激光功率對成形件中孔隙率、最大缺陷尺寸的影響同致密度一致勢，在激光功率為350 W、線能量密度為500 J/m時，成形件的孔隙率和缺陷尺寸均最小，分別為0.018%和15μm。

（3）成形件中存在的主要缺陷包括長條狀的鑰匙缺陷、氣孔缺陷和尺寸較大、形狀為類球形或不規(guī)則的孔洞缺陷。長條狀的鑰匙缺陷主要出現(xiàn)在激光功率或線能量密度較低時；激光功率或線能量密度較高時，出現(xiàn)大量大尺寸孔洞缺陷和氣孔缺陷；高致密度的成形件中以小尺寸的氣孔缺陷為主。

（4）設(shè)定合適的線能量密度和激光功率，可有效控制因微裂紋、球化、飛濺等因素產(chǎn)生的匙孔、孔洞、氣孔缺陷；提高粉末的松裝密度、減少粉末中的空心粉率，有利于減少氣孔缺陷的產(chǎn)生，提高成形件的致密度。