增材制造工藝對316L不銹鋼板材力學性能的影響*

閻 昱 易海佳 王海波

(北方工業(yè)大學機械與材料工程學院，100144，北京)

不銹鋼是一種金屬材料，全稱不銹耐酸鋼. 不銹鋼內部含有大量的Cr，與傳統(tǒng)的鋼材相比，它的強度，剛度，低溫韌性，高溫強度等性能遠高于普通鋼材，并且它有著抗腐蝕、使用年限長、可重復回收利用等優(yōu)勢，有著良好的發(fā)展前景，目前廣泛應用到醫(yī)用器械、輕量化結構以及大量的多孔結構的零部件之中.[1]

傳統(tǒng)的鑄造和鍛造是目前不銹鋼制造的主要手段. 鑄造屬于等材制造，這種鑄造方式的特點是勞動消耗大，并且成形件的質量差，極易產生缺陷；鍛造是減材制造，減材制造是目前所有金屬制備中最常見的類型，這種制備方式對原材料的利用率低、消耗大，由于不銹鋼導熱性極好，切削加工的過程中容易出現粘刀的情況，且因為不銹鋼的硬度大，切割的刀具極易產生磨損.[2]

進入21世紀后，制造業(yè)快速發(fā)展，增材制造作為一種材料利用率高且制備方式簡單的新型制備手段有效解決了目前的問題.[3]SLM是金屬增材制造的重要技術，它通過激光快速熔化金屬粉末，凝固后層層疊加的方式，快速實現無模具、無浪費的復雜結構金屬的近凈成形.[4]可是通過SLM成形的金屬一般存在著殘余應力，裂紋、球化、孔隙等問題.[5-7]

本文通過改變316L不銹鋼制備過程中的填充激光功率、掃描間距、掃描速度，通過設計單向拉伸，剪切拉伸，平面應變3種靜態(tài)拉伸試驗，研究了不同工藝參數對于增材制造成形板材的屈服強度、抗拉強度、延伸率和彈性模量的影響，選擇了最合適的工藝參數，為316L不銹鋼增材制造的板材成形提供了堅實的理論和實踐基礎.

1 激光增材制造試驗

1.1 試驗設備

本論文的增材制造試驗采用易博三維自主研發(fā)的IGAM- 1 SLM激光增材制造設備完成，IGAM- 1選擇性激光熔化設備主要由掃描系統(tǒng)、激光系統(tǒng)、送粉系統(tǒng)、控制系統(tǒng)4大部分組成，在燒結過程中粉末通過送粉系統(tǒng)到達粉末燒結平臺，然后使用激光掃描系統(tǒng)燒結粉末并快速冷卻，最終層層堆疊達到粉末熔融成型的效果.

1.2 試驗材料

本研究制備的316L不銹鋼采用亞通合金粉末所提供的316L不銹鋼粉末，其化學組成如表1所示，其中Fe元素為基材，主要元素組成為Cr、Ni、Mo、Si占比較大的部分，含有少量C、P.

激光增材制造技術過程中粉末的粒度范圍、流動性、堆積密度等眾多物理性能都會對激光增材制造試件的致密度，微觀形貌，宏觀形貌，機械性能產生重要的影響. 本文采用的316L不銹鋼粉末的粉末直徑、密度和流動性如表2所示，該粉末流動性好且粒度尺寸小，符合試驗的基本要求.

表1 316L不銹鋼粉末化學組成

表2 316L不銹鋼粉末物理性質

1.2 試驗設計

增材制造試件的性能主要由激光能量密度所決定，激光能量密度指的是每單位金屬合金粉末所吸收的激光能量[8]，其計算公式如下：

E=P/(νht)

(1)

其中E代表激光能量密度，P是填充激光功率，單位W；ν是激光掃描速度，單位mm/s，h是激光掃描間距，單位mm；t代表每次的鋪粉厚度，單位mm. 不同材料由于其自身的性質，都會導致材料熔化所需吸收的熱量不一樣. 在制造過程中，激光能量密度過低，無法將粉末完全融化，會出現試件畸變，裂紋等現象. 激光能量密度過大，會導致粉末的燒蝕，粉末流失，從而形成孔隙，畸變等嚴重問題. 所以必須選擇合適的激光能量密度，應用合理的工藝參數配比，才可以減少材料的浪費，提高成功率，得到最理想狀態(tài)的增材制造試件.

本文以掃描速度、掃描間距和填充激光功率3種工藝參數為變量，使用固定變量法對3種工藝參數進行了組合，組成了10組工藝配合，如表3所示.

1.3.SLM制備的試驗結果

根據表3中不同工藝參數的設置，進行316L不銹鋼的增材制造，成功得到了工藝參數序號為1、2、3、4、5、6、7、10的塊體，如圖1所示.

表3 工藝參數

從圖1中可以看出，打印成功的塊體宏觀形貌規(guī)整，表面較為平滑，未出現較大變形，并且無明顯裂紋. 8、9號試件未成功制備，打印過程中均出現了塊體大幅度畸變，并且有裂紋和分層現象產生. 制備失敗的主要原因是掃描間距過小，掃描重疊區(qū)域過大，激光熔化的過程中存在一半是已經凝固的金屬熔化，而另一半是粉末熔化的現象. 金屬的重復熔化導致材料冷縮次數增加，容易產生裂紋；金屬吸收的熱量增加，導致材料的氣化，金屬熔池產生的蒸汽膨脹會對熔池造成反沖壓力，造成液滴濺射，產生球化現象；并且由于掃描間距過小，熔池液體濺射到已經凝固的部分，燒蝕產生了孔隙.

2 激光增材制造316L不銹鋼試樣的靜態(tài)拉伸試驗

2.1 試驗設備

本次拉伸試驗采用INSTRON 5980系列雙立柱落地式試驗機，該拉伸試驗系統(tǒng)最大載荷為600 kN，可通過橫梁位移- 載荷，位移引伸計等方式精確實時獲得試驗數據.

2.2 試驗材料

對增材制造試件力學性能的檢測是通過拉伸試驗來實現的，拉伸試驗是力學性能測試的重要試驗，可得到材料的應力應變數據，通過處理可以得到材料延伸率、抗拉強度、彈性模量等力學參數. 本文選擇了單向拉伸試驗、剪切拉伸試驗、平面應變試驗這3種靜態(tài)拉伸作為增材制造試件的力學性能衡量方法.

單向拉伸試驗試件根據《GB/T 288—2010 金屬材料拉伸試驗方法》設計，其中試件長度為105 mm，寬度為14 mm，平行段長度為26.26 mm. 具體尺寸如圖2所示.

本論文根據Luo和Li等提出的剪切試驗形狀[9-10]進行改進設計，試件長度105 mm，寬21 mm，標距段26.24 mm，具體尺寸如圖3所示.

平面應變是常見的基礎拉伸試驗，本次平面應變拉伸試件為缺口形式，長度為105 mm，寬度為21 mm，具體尺寸如圖4所示.

本文增材制造過程中制備的是長方體形狀的316L不銹鋼金屬塊體，因此通過線切割將SLM打印的金屬塊體切割成拉伸試件的尺寸. 線切割具有材料利用率高、加工精度高、切割周期短等優(yōu)點，能夠很好的保證試件的尺寸及精度. 加工后的試件如圖5所示.

3.316L不銹鋼的力學性能影響分析

為了研究不同的填充激光功率、掃描速度、掃描間距對316L不銹鋼增材制造板材的力學性能的影響，本文進行了8組拉伸試驗，每組試驗由3種不同類型的拉伸試驗組成，并通過處理得到了材料的屈服強度、抗拉強度、延伸率，試驗結果如下.

3.1 填充激光功率影響分析

選取掃描速度為1 000 mm/s，掃描間距為0.08 mm，填充激光功率為220 W、260 W、300 W、340 W的316L的不銹鋼試件，然后進行了單向拉伸、剪切拉伸、平面應變拉伸3種試驗，計算得到材料的屈服強度、抗拉強度、延伸率和彈性模量的變化趨勢，如圖6所示.

由圖6中可以看出，在填充激光功率達到220 W時，試件的屈服強度、抗拉強度、延伸率和彈性模量最低，此時屈服強度為110 MPa，抗拉強度為126 MPa，延伸率為1.2%，彈性模量為21 432 MPa；隨著填充激光功率的上升，材料的屈服強度、抗拉強度和延伸率上升，當填充激光功率達到300 W時，成形件的屈服強度、抗拉強度、延伸率達到最大，此時屈服強度為230 MPa，抗拉強度為280 MPa，延伸率為2.27%，彈性模量為42 434 MPa；當填充激光功率超過300 W時，試件的屈服強度、抗拉強度和延伸率減小.

根據剪切拉伸試驗，通過數據處理得到了材料剪切狀態(tài)的屈服強度、抗拉強度、延伸率和彈性模量，如圖7所示. 可以看出，在填充激光功率為340 W時，剪切試件的屈服強度和抗拉強度最好，屈服強度、抗拉強度為132 MPa、抗拉強度為151 MPa，延伸率為1.5%；在填充激光功率為260 W時，材料的剪切延伸率最高，僅達到1.75%，此時屈服強度為128 MPa，抗拉強度為147 MPa. 填充激光功率為300 W時，材料的屈服強度和抗拉強度最低，為117 MPa和127 MPa，此時延伸率為1.2%. 剪切試件的彈性模量隨著填充激光功率的上升而上升，340 W時材料的楊氏模量為55 070 MPa.

根據平面試件的拉伸試驗，處理后得到了材料平面應變狀態(tài)的屈服強度、抗拉強度、延伸率和彈性模量，如圖8所示.

從圖8可以看出，在填充激光功率為220 W時，材料的力學性能最差，此時屈服強度為220 MPa，抗拉強度為241 MPa，延伸率為0.92%，彈性模量為40 867 MPa；隨著填充激光功率上升，材料的抗拉強度和延伸率隨之上升，在填充激光功率為300 W時，平面應變試件的屈服強度、抗拉強度、延伸率和彈性模量達到了最大值，此時屈服強度為288 MPa，抗拉強度為340 MPa，延伸率為1.49%，抗拉強度為46 735 MPa；隨著激光填充功率的繼續(xù)上升，材料的力學性能隨之下降.

隨著填充激光功率的上升，單向拉伸試件和平面試件的屈服強度、抗拉強度、延伸率和彈性模量上升，在300 W時達到最高，這是因為隨著激光功率的上升，金屬粉末熔化充分. 隨著激光功率的繼續(xù)提升，屈服強度、抗拉強度、延伸率和彈性模量降低，這是由于材料吸收的熱量增多，出現了球化和孔隙，材料的冷縮加劇，產生了更大的殘余應力和裂紋. 剪切試件的性能與平面應變和單向拉伸力學性能不同，這是因為材料有各向異性.

3.2 掃描間距影響分析

試驗選取掃描速度1 000 mm/s，填充激光功率340 W，掃描間距0.06 mm、0.08 mm、0.10 mm、0.12 mm工藝制備的316L不銹鋼，但是掃描間距為0.10 mm、0.12 mm的試件制備后呈現軟化狀態(tài)，失去了常見金屬的特性，主要原因是增材制造過程中掃描間距過大，導致熔道之間無法產生有效搭接，出現了材料致密度低，沒有硬度并質地松軟的現象. 將0.06 mm、0.08 mm的試件進行了平面拉伸，剪切拉伸，平面拉伸3種試驗.

根據單向拉伸試驗數據處理，計算得到材料單向拉伸狀態(tài)的屈服強度、抗拉強度、延伸率和彈性模量，如圖9所示.

從圖9中可以看出，隨著掃描間距的增大，材料的力學性能得到提升，在掃描間距為0.08 mm時試件的屈服強度為220 MPa，抗拉強度為277 MPa，延伸率為1.5%，楊氏模量為40 829 MPa；在掃描間距為0.06 mm時，試件的屈服強度為108 MPa，抗拉強度僅有122 MPa，延伸率為1.2%，彈性模量為20 215 MPa.

根據剪切試件的拉伸試驗，通過試驗數據的處理和計算，得到試件剪切狀態(tài)的屈服強度、抗拉強度、延伸率和彈性模量的變化趨勢，如圖10所示. 可以看出，掃描間距越大，試件的屈服強度、抗拉強度、延伸率和彈性模量越大. 掃描間距為0.08 mm時，試件的力學性能最好，此時屈服強度為132 MPa，抗拉強度達到了150 MPa，試件延伸率為1.5%，彈性模量為54 119 MPa. 掃描間距為0.06 mm時，試件力學性能最差，此時材料的屈服強度為79 MPa，抗拉強度為87 MPa，延伸率為0.6%，彈性模量為36 527 MPa.

根據平面拉伸試件的拉伸試驗，通過數據處理和計算得到了試件在平面應變狀態(tài)下的屈服強度、抗拉強度、延伸率和彈性模量，如圖11所示.

從圖11可以看出，材料的屈服強度、抗拉強度和延伸率隨著掃描間距的增加而增加，在掃描間距為0.08 mm時，材料的力學性能最好，此時屈服強度為271 MPa，抗拉強度為313 MPa，延伸率為1.4%，彈性模量為41 245 MPa；在掃描間距為0.06 mm時材料的力學性能最差，此時屈服強度為134 MPa，抗拉強度為153 MPa，延伸率為0.8%，彈性模量為29 885 MPa.

增材制造的316L不銹鋼試件，隨著掃描間距的增加，材料的屈服強度、抗拉強度、延伸率和彈性模量隨之上升. 這是因為隨著掃描間距的增加，熔道之間不會重復搭接，減少了內應力的產生.

3.3 掃描速度影響分析

選取填充激光功率340 W，掃描間距0.06 mm，掃描速度為800 mm/s，1 000 mm/s，1 200 mm/s，1 400 mm/s的316L不銹鋼試件，在制備過程中，800 mm/s和1 200 mm/s經過多次制備都沒有制備成功，主要是因為選擇的掃描間距過小，重復的熔道搭接，產生球化和材料的畸變分層，大大降低了制備的成功率. 因此僅選取1 000 mm/s和1 400 mm/s的成功試樣，進行單向拉伸、剪切拉伸、平面拉伸3種試驗，以測試試件的性能變化.

通過單拉試件的拉伸試驗，進行數據的處理和計算，得到單拉試件的屈服強度、抗拉強度、延伸率和彈性模量，如圖12所示.

從圖12中可以看，隨著掃描速度的提升，材料的力學性能隨著提升，掃描速度為1 400 mm/s時，單拉試件的力學性能最好，此時屈服強度為175 MPa，抗拉強度為200 MPa，延伸率達到了1.46%，彈性模量為31 982 MPa；在掃描速度為1 000 mm/s時，單拉試件的力學性能最差，此時屈服強度為108 MPa，抗拉強度為122 MPa，延伸率為1.2%，彈性模量為20 215 MPa.

根據剪切拉伸試驗的數據結果，得到試件剪切狀態(tài)的屈服強度、抗拉強度、延伸率和彈性模量，如圖13所示. 隨著掃描速度的增加，剪切試件的力學性能隨之增大. 在掃描速度為1 400 mm/s時，力學性能最好，此時試件的屈服強度為130 MPa，抗拉強度為146 MPa，延伸率為0.79%，彈性模量為55 070 MPa；掃描速度為1 000 mm/s時，試件的力學性能最差，此時屈服強度為79 MPa，抗拉強度為87 MPa，延伸率為0.62%，彈性模量為36 527 MPa.

根據平面應變試件的試驗結果，得到了試件平面應變狀態(tài)的屈服強度、抗拉強度、延伸率和彈性模量，如圖14所示.

從圖14中可以看出，隨著掃描速度的增加，試件的力學性能隨之提升. 在掃描速度達到1 400 mm/s時，試件的力學性能最好，此時屈服強度為154 MPa，抗拉強度為174 MPa，延伸率為0.87%，彈性模量為33 969 MPa；在掃描速度為1 000 mm/s時，試件的力學性能最差，此時屈服強度為134 MPa，抗拉強度為153 MPa，延伸率為0.82%，彈性模量為29 885 MPa.

隨著掃描速度的提升，材料的屈服強度、抗拉強度、延伸率和彈性模量隨之提升，這是因為掃描速度過低時，激光功率太大吸收能量過多，導致裂紋和殘余應力增加，并且溫度過高造成孔隙和部分金屬小球球化. 而掃描速度的上升減少了以上現象的產生，可是當掃描速度過快時，金屬粉末無法吸收足夠的能量，降低了成形件的力學性能甚至無法制造出完整的試件.

4 結論

通過對填充激光功率，掃描間距、掃描速度3種工藝參數對316L不銹鋼板材力學性能影響規(guī)律的研究，得到如下結論：

1)通過調控填充激光功率、掃描速度、掃描間距這3種增材制造的工藝參數，制備成功了8組樣品，發(fā)現掃描件間距過小時會導致掃描區(qū)域重疊，產生球化現象，使材料試件發(fā)生畸變，制備成功率嚴重降低.

2)填充激光功率會極大影響增材制造板材的力學性能，隨著填充激光功率的增加，材料的力學性能會隨之加強，在300 W時材料的屈服強度、抗拉強度和延伸率最高，激光功率超過300 W時材料的力學性能會降低，產生材料的燒蝕、球化；剪切試件的彈性模量會隨著填充激光功率的增加而上升，且其比同工藝參數的單向拉伸和平面應變試件更高.

3)掃描間距和掃描速度都會對增材制造的板材的力學性能產生影響，隨著掃描速度和掃描間距的增加，材料的延伸率、屈服強度、抗拉強度和彈性模量隨之上升，當掃描間距過大時會導致材料出現軟化現象. 掃描速度過快會導致金屬粉末無法完全熔化，導致材料的力學性能下降.

4)填充激光功率300 W、掃描速度1 000 mm/s、掃描間距0.08 mm為本文設計組合工藝中最優(yōu)的工藝參數組合.