激光選區(qū)熔化成形316L不銹鋼組織和力學(xué)性能分析

程靈鈺,何召輝,孫 靖,文珊珊,劉正武,朱小剛,李 鵬

(1.上海航天設(shè)備制造總廠有限公司,上海 200245；2.上海復(fù)雜金屬構(gòu)件增材制造工程技術(shù)研究中心,上海 200245；3.上海交通大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,上海 200240)

1 引 言

激光選區(qū)熔化(Selective laser melting,SLM)技術(shù)是基于離散-堆積原理,應(yīng)用計(jì)算機(jī)及高精度光學(xué)系統(tǒng),控制高能激光束逐層熔化微細(xì)金屬粉末,通過層層冶金結(jié)合,直接成形高性能金屬零件[1-2]。該技術(shù)激光光斑微細(xì),分層厚度小,在成形微細(xì)復(fù)雜結(jié)構(gòu)方面具有顯著優(yōu)勢(shì)[3]。該技術(shù)無需模具,可直接制造任意復(fù)雜的零件,能夠有效縮短零件的研制周期[4],節(jié)省成本,特別適合品種多,批量小,結(jié)構(gòu)復(fù)雜的航天產(chǎn)品的生產(chǎn)制造。

316L不銹鋼是一種超低碳不銹鋼,具有優(yōu)異的耐海水腐蝕、耐晶間腐蝕、耐酸性能,同時(shí)韌性極好,耐高溫性能良好。316L不銹鋼因此被廣泛用于石油、化工、輕工業(yè)、醫(yī)療等行業(yè)。由于316L不銹鋼激光選區(qū)熔化成形性好,因此國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者對(duì)316L不銹鋼激光選區(qū)熔化成形開展了相關(guān)研究。孫健峰[5]等人采用激光選區(qū)熔化成形工藝制備了316L不銹鋼多孔過濾零件,發(fā)現(xiàn)可制備的1 mm的微孔尺寸的過濾零件,零件內(nèi)部組織主要由不規(guī)則形狀和條形組成。Ma M[6]等人比較了激光選區(qū)熔化成形及激光熔覆沉積兩種工藝對(duì)316L不銹鋼冶金行為的影響。Spierings.A.B[7]團(tuán)隊(duì)及Riemer.A.[8]團(tuán)隊(duì)研究了316L不銹鋼激光選區(qū)熔化成形試樣的疲勞性能。趙曙明[9]等人采用水霧化粉末進(jìn)行激光選區(qū)熔化成形研究,發(fā)現(xiàn)單層表面粗糙度Ra隨著能量密度的增大而呈減小趨勢(shì),通過優(yōu)化工藝參數(shù),得到的316L不銹鋼試樣拉伸性能優(yōu)于鑄件。Cherry.J.A[10]等人研究了工藝參數(shù)對(duì)激光選區(qū)熔化成形316L不銹鋼的微觀組織及性能的影響,發(fā)現(xiàn)較差的表面光潔度及孔洞是影響其顯微硬度的主要原因。張飛飛[11]等研究了激光選區(qū)熔化成形不同層厚下316L不銹鋼的拉伸性能,發(fā)現(xiàn)50 μm層厚下拉伸強(qiáng)度較高。尹燕[12]等研究了激光選區(qū)熔化成形316L不銹鋼的微觀組織及拉伸性能,發(fā)現(xiàn)試樣的抗拉強(qiáng)度與傳統(tǒng)工藝相比有較大提高,但延伸率下降。梁慶杰[13]研究了工藝參數(shù)對(duì)選區(qū)激光熔化成形316L不銹鋼的影響,發(fā)現(xiàn)掃描速度對(duì)致密度及拉伸性能影響最大,優(yōu)化后的參數(shù)下,抗拉強(qiáng)度達(dá)到了622 MPa,斷后延伸率達(dá)到了7.17 %。

目前,針對(duì)激光選區(qū)熔化成形316L不銹鋼性能的研究主要集中于拉伸性能,對(duì)其他性能研究較少,因此需進(jìn)一步探索。本文對(duì)SLM成形316L不銹鋼試樣的組織和拉伸、布氏硬度、夏比缺口沖擊功、彎曲性能進(jìn)行了綜合分析,以期為采用激光選區(qū)熔化技術(shù)制造零件提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和研究思路。

2 實(shí) 驗(yàn)

2.1 材 料

采用氣霧化316L不銹鋼粉末,粉末形貌如圖1所示,粉末呈球形,平均粒徑28 μm。粉末主要成分見表1。

圖1 316L不銹鋼粉末形貌

表1 316L不銹鋼粉末化學(xué)成分(wt %)

2.2 設(shè)備及工藝

采用上海航天設(shè)備制造總廠有限公司研制的Kre-AM 280型SLM設(shè)備。該設(shè)備采用500 W光纖激光器,波長(zhǎng)(1080±5)nm,光斑直徑50～80 μm,掃描速度10～1000 mm/s,最小加工層厚可控制在0.02 mm。成形過程中采用含量為99.999 %的高純氬氣保護(hù)。激光選區(qū)熔化成形工藝參數(shù)為:激光功率200 W,掃描速度500 mm/s,單層厚度30 μm,掃描間距150 μm,掃描方式為分塊旋轉(zhuǎn)掃描,分塊寬度10 mm,相鄰層旋轉(zhuǎn)67°。成形316L不銹鋼試樣為20 mm×20 mm×10 mm的正方體、10 mm×10 mm×80 mm 的長(zhǎng)方體、11 mm×11 mm×60 mm 的長(zhǎng)方體,分別制備XY及Z向試樣。試樣的取樣方向如圖2所示,XY向?yàn)閽呙杵矫娣较?Z向?yàn)閷訉盈B加成形方向。

試樣經(jīng)研磨、拋光后,試樣采用王水(HNO3∶HCl=1∶3)腐蝕50s,獲得金相試樣。利用蔡司Ario observer光學(xué)顯微鏡觀察試樣的的微觀組織,FEI Nova NanoSEM450 型掃描電子顯微鏡觀察試樣的顯微組織及拉伸斷口形貌。采用XHB-3000 型硬度計(jì)測(cè)試試樣的硬度,每個(gè)試樣測(cè)試5個(gè)數(shù)據(jù),取其平均值。按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 228.1-2010,將試樣加工成80 mm×10 mm×10 mm 的啞鈴狀片狀拉伸試樣,利用CMT-5305型電子萬能試驗(yàn)機(jī)測(cè)試試樣的室溫拉伸性能,每組試樣包含5根樣品。沖擊試樣采用10 mm×10 mm×55 mm 的夏比V型缺口試樣,根據(jù)《GB /T229-2007 金屬材料夏比擺錘沖擊試驗(yàn)方法》在JB-30A 沖擊試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行常溫沖擊試驗(yàn)。按照國(guó)標(biāo)GB/T 232-2010對(duì)試樣進(jìn)行彎曲測(cè)試。

圖2 試樣取樣方向示意圖

3 結(jié)果與討論

3.1 316L不銹鋼的微觀組織

圖3為激光選區(qū)熔化成形316L不銹鋼的XOY方向顯微組織。由圖3(a)可見出,相鄰熔覆道之間的搭接良好。從圖3(b)可見組織主要由胞狀晶和呈外延生長(zhǎng)的柱狀晶組成,柱狀晶的取向各不相同。由于熔池邊界處粉末未熔化區(qū)域溫度較低,因此一部分晶粒沿著熔池邊界外延生長(zhǎng),同時(shí)在SLM過程中,熔池內(nèi)部經(jīng)歷快速冷卻,表面張力形成梯度,熔池內(nèi)部存在“馬戈紊流”,熔池內(nèi)發(fā)生對(duì)流[14],導(dǎo)致熔池內(nèi)部散熱方向發(fā)生改變,因此,造成晶粒顯示出不同的生長(zhǎng)方向(見圖3(b))。胞狀晶呈正六邊形,為柱狀晶的截面,柱狀晶晶粒十分細(xì)小,直徑分布在0.4～0.7 μm(見圖3(c))。

圖3 316L不銹鋼XY向微觀組織

圖4為激光選區(qū)熔化成形316L不銹鋼的Z方向顯微組織。從圖4(a)中可以看出層與層之間的熔合線,層與層之間連接致密,可見明顯魚鱗紋狀的熔池截面。由圖4(b)可以看出,在熔合線附近,存在明顯的外延生長(zhǎng)特性。激光選區(qū)熔化成形過程中,熔池的上方是激光束和氣體,下方是前一凝固層,熱量向下傳遞較快,因此熔池從固相基底開始向液相熔池凝固,越靠近前一凝固層的位置,溫度梯度越大,而晶粒總是朝著散熱方向最快的方向發(fā)展,從而使激光選區(qū)熔化成形的柱狀晶沿著熔合線開始外延生長(zhǎng)[15]。同時(shí)在熔合線附近,前一凝固層受熱發(fā)生局部重熔,導(dǎo)致晶粒一定程度的長(zhǎng)大,晶粒尺寸大于熔池中心處。

圖4 316L不銹鋼Z向微觀組織

3.2 激光選區(qū)熔化成形316L不銹鋼的力學(xué)性能

激光選區(qū)熔化成形316L不銹鋼的室溫拉伸性能如圖5所示,XY方向抗拉強(qiáng)度分布在692～703 MPa,屈服強(qiáng)度分布在603～609 MPa,延伸率分布在18.5%～21 %。Z方向的拉伸性能分布在511～531 MPa,屈服強(qiáng)度分布在499.5～466 MPa,延伸率分布在7.0～9.5 %。與XY方向相比,抗拉強(qiáng)度下降了25 %,屈服強(qiáng)度下降了24.5 %,延伸率下降了60 %。與GB/T1220-2008中規(guī)定的棒材抗拉強(qiáng)度480 MPa,屈服強(qiáng)度177 MPa,延伸率40 %相比,抗拉強(qiáng)度及屈服強(qiáng)度明顯提升,其中屈服強(qiáng)度的升高尤其顯著,但是延伸率偏低,這與文獻(xiàn)[12]、[16]得到的結(jié)果一致。在層層疊加方向,單層掃描間隔時(shí)間相對(duì)于相鄰道道掃描間隔時(shí)間要長(zhǎng)得多,因此在層層搭接方向冷卻時(shí)間較長(zhǎng),溫度梯度較大,造成內(nèi)應(yīng)力較大,造成Z向的強(qiáng)度及延伸率相比XY向有一定的下降。激光選區(qū)熔化成形過程熔池局部加熱,瞬時(shí)熔化,快速冷卻,整個(gè)過程一般只有幾毫秒的時(shí)間,熔池冷卻速度很快,導(dǎo)致晶粒十分細(xì)小,且排布致密,因此與傳統(tǒng)方法成形材料相比強(qiáng)度提高明顯。但是由于激光選區(qū)熔化形成的熔池尺寸小,局部快速熔化及冷卻,形成了非平衡的微觀組織結(jié)構(gòu),零件內(nèi)部不同部位收縮及膨脹變形趨勢(shì)不一致,零件內(nèi)部殘余應(yīng)力不可避免,進(jìn)而導(dǎo)致塑性偏低。從圖3(b)可知,細(xì)小柱狀晶生長(zhǎng)方向各異,在拉伸過程中,塑性變形方向不一致,互相牽制,也會(huì)導(dǎo)致塑性下降。另一方面,除了晶界外,激光選區(qū)熔化成形過程還存在大量道道搭接,層層疊加熔合界面,界面處的變形阻力使材料拉伸強(qiáng)度升高,延伸率下降[12]。

圖5 316L不銹鋼室溫拉伸性能

不同成形方向的激光選區(qū)熔化成形316L不銹鋼的拉伸斷口如圖6所示。圖6(a)中可以看出,XY方向拉伸斷口較平整,側(cè)面中間存在明顯的收縮頸,中間和邊緣的收縮比達(dá)到了76.3 %。圖6(b)中可以看出,與XY方向相比,Z方向斷口存在較多的孔洞及未熔化顆粒,這與Z方向延伸率較低相吻合。圖6(c)、6(d)可以看到明顯的韌窩,顯示為韌性斷裂。比較圖6(e)、6(f)可以看XY向韌窩直徑及深度明顯大于Z方向韌窩尺寸。韌窩直徑及深度越大,表明韌性越好,延伸率越高,這也佐證了XY方向延伸率比Z方向要好。

圖6 不同倍率的拉伸試樣斷口形貌

激光選區(qū)熔化成形316L不銹鋼的布氏硬度如圖7示,每個(gè)方向成形3個(gè)試樣。由圖7可以看出,XY方向的試樣與Z方向的試樣布氏硬度相差不大,平均硬度分別為188.7 HB和189 HB,與固溶態(tài)不銹鋼棒材硬度相當(dāng)。

圖7 316L不銹鋼布氏硬度

激光選區(qū)熔化成形316L不銹鋼的沖擊功如圖8示,XY方向及Z向各成形3個(gè)試樣,由圖中可以看出,XY方向的試樣與Z方向的試樣沖擊功相差不大,XY方向略高于Z向,平均沖擊功分別為74.5 J和70.0 J,高于文獻(xiàn)[16](平均沖擊功56.8 J)報(bào)道的測(cè)試結(jié)果及文獻(xiàn)[9]測(cè)試的7.294 J。XY方向的沖擊功略高于Z方向的沖擊功,這與激光選區(qū)熔化316L不銹鋼XY向韌性優(yōu)于Z向韌性是一致的。

圖8 316L不銹鋼沖擊吸收功

對(duì)激光選區(qū)熔化成形316L不銹鋼試樣進(jìn)行三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),彎曲至122°時(shí),XY向及Z向試樣在彎曲失效位置均萌生了微小裂紋,最長(zhǎng)為1.5mm(圖9)。

圖9 316L不銹鋼彎曲測(cè)試后試樣

4 結(jié) 論

(1)激光選區(qū)熔化成形的316L不銹鋼的顯微組織主要由直徑約為0.4～0.5 μm的細(xì)小胞狀晶及呈外延生長(zhǎng)的柱狀晶組成。由于馬戈紊流的影響,晶粒的生長(zhǎng)顯示出不同的生長(zhǎng)方向,相鄰熔池熔合線附近晶粒尺寸大于熔池中心處。

(2)激光選區(qū)熔化成形的316L不銹鋼的拉伸性能存在各向異性,XY向均高于Z向。XY向及Z向的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度與傳統(tǒng)方法制造的固溶處理后的同質(zhì)材料相比優(yōu)勢(shì)明顯,但塑性明顯下降,拉伸斷裂方式為韌性斷裂。

(3)激光選區(qū)熔化成形的316L不銹鋼試樣在XY向和Z向的布氏硬度均達(dá)到了188 HB,與固溶強(qiáng)化處理后的不銹鋼棒材相當(dāng)；沖擊功均達(dá)到了70 J,XY向略高于Z向,與XY向韌性優(yōu)于Z向相對(duì)應(yīng)；三點(diǎn)彎曲至122°時(shí)萌生微小裂紋。