體能量密度對(duì)SLM成形316L不銹鋼耐腐蝕性的影響

李 鵬， 孔令華， 練國富， 黃 旭， 李 鑄

(1. 福建工程學(xué)院 機(jī)械與汽車工程學(xué)院, 福建 福州 350118；2. 數(shù)字福建工業(yè)制造物聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)室, 福建 福州 350118)

選擇性激光熔化(Selective laser melting，SLM)是一種通過材料逐層疊加的方式直接制造實(shí)體零件的增材制造技術(shù)[1-2]，德國的Fraunhofer研究所最早研發(fā)出SLM技術(shù)[3]，它是利用金屬粉末在激光束的熱作用下完全熔化后，經(jīng)冷卻凝固制造出復(fù)雜幾何形狀的部件。它直接將三維模型打印成形，大大提高了零件的生產(chǎn)效率，避免了利用模具這種費(fèi)時(shí)費(fèi)力的生產(chǎn)模式，材料利用率高且省去了后續(xù)處理工藝，能夠制造傳統(tǒng)機(jī)加工方式難以成形的復(fù)雜形狀的金屬零部件，在醫(yī)療、食品、汽車、航天、航海和模具等[4-8]領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。

雖然不銹鋼有著較強(qiáng)的耐腐蝕性，但是在一定的惡劣工況下，例如化工廠、海洋裝備對(duì)其耐腐蝕性的需求更高，因此需要采用一種新的工藝來進(jìn)一步提高不銹鋼零件的耐腐蝕性，SLM在零部件加工制造方面有突出的優(yōu)勢(shì)，但是成形件的性能與其工藝參數(shù)有著密切的關(guān)系，激光功率、掃描速度、掃描間距和鋪粉厚度等因素對(duì)316L不銹鋼成形件的組織和性能有巨大的影響[9]。Pan等[10]通過拉伸試驗(yàn)獲得了316L不銹鋼SLM和SLR(Selective laser remelting)工藝樣品的力學(xué)性能。結(jié)果表明，SLM和SLR工藝改變了316L不銹鋼的力學(xué)性能。與冷軋工藝相比，三維零件沒有明顯的屈服階段和應(yīng)力強(qiáng)化階段。激光工藝參數(shù)對(duì)剛度影響不大，但對(duì)3D零件的強(qiáng)度和塑性影響較大，試樣的塑性普遍低于軋制的316L不銹鋼。Bajaj等[11]介紹了不同種類的鋼在熔融基調(diào)幅工藝后的組織、性能及其應(yīng)用，得出調(diào)幅鋼(主要是不銹鋼)的耐腐蝕性通常優(yōu)于常規(guī)材料，這主要基于精細(xì)的微觀結(jié)構(gòu)，或特殊的織構(gòu)和雙相不銹鋼的性質(zhì)。Cherry等[12]利用SLM技術(shù)研究了激光能量密度對(duì)316L不銹鋼性能的影響，結(jié)果表明，孔隙率增加導(dǎo)致材料硬度降低。從低能量密度的小球特征到高能量密度的大小球特征的混合。宗學(xué)文等[13]研究了激光選區(qū)熔化316L不銹鋼的表面形貌，結(jié)果表明，隨著體激光能量密度的增加，相鄰熔道及上下成形層能夠較好搭接，空隙和微孔等缺陷逐漸消除，同時(shí)熔池?cái)嗬m(xù)減少，熔池寬度逐漸由小變大。崔靜等[14]研究了300M鋼激光熔覆316L不銹鋼修復(fù)層的組織與性能，熔覆之后硬度提升，且在激光功率為1.5 kW時(shí)與基體呈現(xiàn)冶金結(jié)合，此時(shí)的耐腐蝕性最好。韓晨陽等[15]研究了激光熔覆鎳基合金磨損及電化學(xué)腐蝕性，在304表面熔覆鎳基涂層后，硬度、耐磨性和耐腐蝕性均有較大提升。Lavender[16]為了對(duì)比零件質(zhì)量，將增材制造與傳統(tǒng)技術(shù)進(jìn)行比較，研究了SLM零件的特征質(zhì)量，觀察了其顯微組織。光學(xué)顯微鏡顯示特征質(zhì)量隨著特征尺寸而增加。將打印參數(shù)優(yōu)化后可生產(chǎn)綜合性能更優(yōu)的零部件。當(dāng)SLM成形金屬材料在一些嚴(yán)苛環(huán)境下服役時(shí)，如果按照傳統(tǒng)方式加工的零部件使用，可能就會(huì)導(dǎo)致腐蝕失效，最終會(huì)影響到金屬材料的性能，帶來巨大的損失。

現(xiàn)有的研究大多集中在分析工藝參數(shù)對(duì)SLM 316L不銹鋼成形質(zhì)量的影響，采用體能量密度研究工藝參數(shù)對(duì)其耐腐蝕性能影響的報(bào)道較少，體能量密度可以表征4個(gè)成形參數(shù)對(duì)成形件的共同作用，更加體現(xiàn)基本物理參數(shù)對(duì)于成形件性能的影響。因此本文以SLM 316L不銹鋼成形件為研究對(duì)象，研究了不同的體能量密度對(duì)其表面耐腐蝕性能的影響，為SLM不銹鋼成形件的耐腐蝕性能研究提供理論支持。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料及設(shè)備

本試驗(yàn)采用真空氣霧化生產(chǎn)的316L不銹鋼粉末為原料，粉末粒徑分布為10～45 μm，其化學(xué)成分見表1，微觀形貌見圖1，使用SLM 125HL(SLM Solutions GmbH)機(jī)器來打印樣品。該機(jī)器配備了波長(zhǎng)為1064 nm，最大功率400 W的IPG光纖激光器，所能加工零件的最大尺寸為125 mm×125 mm×125 mm，并使用氬氣作為保護(hù)氣體。試驗(yàn)所用設(shè)備有：金相研磨拋光機(jī)(UNIPOL-820)觀察表面形貌的光學(xué)顯微鏡(MR5000)和臺(tái)式掃描電鏡(TM3030 PLUS)，清洗樣品的超聲波清洗機(jī)(JP-010T)及電化學(xué)工作站(CHI760E)測(cè)量SLM 316L不銹鋼成形件在腐蝕介質(zhì)3.5wt%NaCl溶液中的開路電位、動(dòng)電位極化曲線和交流阻抗譜曲線。

表1 316L不銹鋼粉末的化學(xué)成分 (質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

圖1 316L不銹鋼粉末的微觀形貌Fig.1 Microscopic morphology of the 316L stainless steel powder

1.2 試驗(yàn)方案及工藝參數(shù)選取

首先用試驗(yàn)篩對(duì)316L粉末過篩，去除316L粉末中的雜質(zhì)，將過篩后的粉末通過烘干箱進(jìn)行干燥處理。影響SLM成形試樣性能的因素比較多，最主要的影響參數(shù)為：激光功率、掃描速度、掃描間距和鋪粉厚度等。本文選擇固定的鋪粉厚度0.05 mm，采用不同的激光功率、掃描間距和掃描速度來設(shè)計(jì)試驗(yàn)，采用3因素3水平正交試驗(yàn)，試驗(yàn)因素及因素水平如表2所示，正交試驗(yàn)工藝方案如表3所示。

表2 正交試驗(yàn)因數(shù)水平表

SLM工藝體能量密度與工藝參數(shù)關(guān)系見式(1)：

(1)

式中：E為單位體積的能量密度，J/mm3；P為激光功率，W；d為掃描間距，mm；v為掃描速度，mm/s；L為切片層厚度，mm。

表3 SLM工藝方案

將打印出來的316L不銹鋼成形試樣用線切割技術(shù)切取10 mm×10 mm×10 mm試樣，隨后用無水乙醇在超聲波清洗機(jī)中進(jìn)行清洗，去除表面的油污后自然風(fēng)干，將試樣表面用砂紙逐級(jí)打磨至2500目，用金相拋光機(jī)拋光至鏡面，配置王水腐蝕20 s后制備金相試樣，用SEM觀察其表面的微觀組織。在其鏡面的對(duì)面上用電烙鐵和焊錫絲焊接一根導(dǎo)線，再用樹脂進(jìn)行鑲嵌，最后通過萬用表檢測(cè)導(dǎo)線與試樣是否聯(lián)通，為電化學(xué)試驗(yàn)做準(zhǔn)備，之后用鉑片電極作為輔助電極，飽和甘汞電極作為參比電極，試樣作為工作電極，配制質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3.5%NaCl溶液作為腐蝕介質(zhì)，分別測(cè)試上述試樣的開路電位、動(dòng)電位極化曲線和交流阻抗譜曲線。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 工藝參數(shù)對(duì)微觀組織的影響

SLM成形件的金屬材料表面最常見的缺陷形式包括孔洞、裂紋、球化等，其工藝參數(shù)的變化將會(huì)對(duì)微觀組織產(chǎn)生明顯的影響，激光功率偏小會(huì)使試樣表面產(chǎn)生明顯的孔洞現(xiàn)象，激光功率偏大試樣表面會(huì)在孔洞的基礎(chǔ)上產(chǎn)生“球化”，掃描速度過小試樣表面產(chǎn)生“球化”，掃描速度過大則會(huì)使樣品致密度變小，產(chǎn)生裂紋和孔洞[17]，從而影響成形件的力學(xué)性能和耐腐蝕性能等。圖2是SLM成形316L不銹鋼的微觀組織，從圖2(a～c)可以看出，隨著體能量密度的減小，試樣表面的孔洞和氣孔的數(shù)量逐漸增加，且分布越來越均勻，試樣S3的體能量密度最小，為31.75 J/mm-3，造成這種現(xiàn)象的原因是由于激光功率過小、掃描速度過快且掃描間距過大導(dǎo)致體能量密度過小；試樣S5的體能量密度為59.52 J/mm-3，如圖2(e)所示，表面氣孔分布均勻，氣孔之間的間距明顯增大，且氣孔的直徑相比于樣品S3也要小，這是因?yàn)檫m當(dāng)提高了激光功率、減慢掃描速度和減小掃描間距使得體能量密度增加的原因。其余微觀組織中，適當(dāng)提高體能量密度后，試樣表面的氣孔和孔洞等缺陷會(huì)減少，如圖2(h)所示，當(dāng)體能量密度過高時(shí)，如圖2(g)所示，試樣S7的體能量密度為75 J/mm-3，試樣吸收的能量較多會(huì)導(dǎo)致過燒現(xiàn)象，表面也會(huì)出現(xiàn)較多的缺陷。

圖2 不同工藝參數(shù)成形SLM 316L不銹鋼樣品的顯微組織Fig.2 Microstructure of SLM 316L stainless steel specimens formed by different process parameters(a) S1; (b) S2; (c) S3; (d) S4; (e) S5; (f) S6; (g) S7; (h) S8; (i) S9

2.2 工藝參數(shù)對(duì)耐腐蝕性的影響

利用CHI760E電化學(xué)工作站在三電極體系中測(cè)試SLM成形9塊樣品在3.5%NaCl溶液中的開路電位、動(dòng)電位極化曲線和交流阻抗譜曲線，動(dòng)電位極化曲線是以電位作為自變量，持續(xù)掃描一定范圍的電位區(qū)間，獲得工作電極在這個(gè)區(qū)間內(nèi)的極化曲線。利用動(dòng)電位極化曲線可以分析腐蝕過程的性質(zhì)和影響因素[18]，一般情況下，鈍化膜的電荷轉(zhuǎn)移電阻可以用阻抗弧半徑來表示，樣品的阻抗弧半徑越小，電荷轉(zhuǎn)移電阻越差，可以進(jìn)一步說明試樣的耐腐蝕性較差[19]。

開路電位測(cè)試結(jié)果如表4所示，圖3是SLM成形9塊樣品在3.5%NaCl溶液中的動(dòng)電位極化曲線，從圖3可以看出，不同工藝參數(shù)成形的9塊樣品的極化曲線體現(xiàn)了316L不銹鋼的自鈍化過程，有明顯的鈍化區(qū)域，首先隨著電位的增加，在其表面形成一層耐腐蝕的鈍化膜，進(jìn)入鈍化區(qū)，接著電位慢慢增加，進(jìn)入過鈍化區(qū)，導(dǎo)致其表面的鈍化膜被擊破，腐蝕加劇導(dǎo)致電流密度增大，說明SLM成形316L不銹鋼試樣有一定的抗腐蝕能力，根據(jù)極化曲線可以得到9塊樣品的自腐蝕電位值，見表4，分別是-0.4528、-0.5277、-0.5312、-0.5643、-0.5208、-0.3707、-0.4755、-0.4213和-0.4475 V (vs SCE, 下同)。因?yàn)镾LM工藝參數(shù)的不同，對(duì)其自腐蝕電位的影響也不盡相同，其中試樣S6的自腐蝕電位最大為-0.3707 V，試樣S4的自腐蝕電位最小為-0.5643 V。

表4 SLM 316L成形件在3.5%NaCl溶液中的開路電位及自腐蝕電位

圖3 不同工藝參數(shù)成形SLM 316L不銹鋼樣品在3.5%NaCl溶液中的極化曲線Fig.3 Polarization curve of the SLM 316L stainless steel specimens formed by different process parameters

圖4是SLM成形9塊試樣在3.5%NaCl溶液中的阻抗譜曲線，阻抗譜曲線的半徑越大，意味著其耐腐蝕性越好，如圖4所示，試樣S6的阻抗譜半徑最大，其耐腐蝕性最好，試樣S4的阻抗譜半徑最小，其耐腐蝕性最差，阻抗譜曲線的結(jié)果與動(dòng)電位極化曲線的結(jié)果吻合。

表5為極差分析計(jì)算結(jié)果，可以清晰地反映出SLM工藝參數(shù)對(duì)耐腐蝕性的影響趨勢(shì)[3]，對(duì)成形件的耐腐蝕性能影響大小的次序?yàn)榧す夤β?、掃描間距、掃描速度。

表5 極差分析計(jì)算結(jié)果

圖5 SLM工藝參數(shù)對(duì)316L不銹鋼成形件在3.5wt%NaCl溶液中的自腐蝕電位的影響Fig.5 Influence of SLM process parameters on self-corrosion potential of the 316L stainless steel parts in 3.5wt% NaCl solution

圖5給出了SLM成形工藝參數(shù)對(duì)于316L成形件在3.5%NaCl溶液中的自腐蝕電位的影響，由圖5(a)可知，激光功率在200～300 W之間時(shí)，成形件的自腐蝕電位隨著激光功率的增大而增大，在增材制造過程中，金屬粉末吸收的能量與激光功率成正比，在一定范圍內(nèi)，其吸收的能量越高，粉末融化的就越徹底，因此表面形成的裂紋、孔洞等缺陷就越少，耐腐蝕性就更好。體能量密度與激光功率成正比。

由圖5(b)可知，掃描間距在0.10～0.14 mm之間時(shí)，自腐蝕電位隨著掃描間距的增大而增大，掃描間距在SLM工藝參數(shù)中是影響工件質(zhì)量的重要參數(shù)之一，體能量密度與掃描間距成反比，當(dāng)掃描間距過小時(shí)，體能量密度較大，導(dǎo)致熔道搭接區(qū)域過多，此時(shí)層層累積之后導(dǎo)致表面粗糙度過大，產(chǎn)生一些缺陷而影響其自腐蝕電位，從而導(dǎo)致耐腐蝕性不好。當(dāng)掃描間距過大時(shí)，體能量密度較小，導(dǎo)致熔道之間搭接較少甚至沒有搭接，層層累積之后會(huì)產(chǎn)生孔洞等缺陷。

由圖5(c)可知，掃描速度在700～800 mm/s之間時(shí)，自腐蝕電位隨著掃描速度增大呈現(xiàn)增大趨勢(shì)，掃描速度在800～900 mm/s之間時(shí)，自腐蝕電位隨著掃描速度增大呈現(xiàn)減小趨勢(shì)，由于體能量密度與掃描速度成反比，當(dāng)掃描速度過慢時(shí)，體能量密度較大，熔池吸收的能量比較多，由此金屬粉末受到激光作用時(shí)間較長(zhǎng)，成形件表面的缺陷就比較少，耐腐蝕性比較好。當(dāng)掃描速度過快時(shí)，體能量密度較小，熔池吸收的能量比較少，金屬粉末不能完全融化在熔池中，由此導(dǎo)致出現(xiàn)比較明顯的缺陷，自腐蝕電位比較小，耐腐蝕性不好。在此次試驗(yàn)中當(dāng)掃描速度在800 mm/s時(shí)自腐蝕電位最高，驗(yàn)證了這個(gè)結(jié)論。

圖6給出了體能量密度對(duì)SLM成形316L不銹鋼自腐蝕電位的影響，當(dāng)體能量密度在31.75～44.64 J/mm3時(shí)，試樣的自腐蝕電位呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢(shì)，最優(yōu)體能量密度為44.64 J/mm3，此時(shí)的自腐蝕電位最大為-0.3707 V，最優(yōu)參數(shù)為激光功率P=250 W，掃描間距d=0.14 mm，掃描速度v=800 mm/s。當(dāng)體能量密度大于60 J/mm3時(shí)，試樣的自腐蝕電位變化不大。當(dāng)體能量密度在55.56～59.52 J/mm3時(shí)，自腐蝕電位整體較低，且無規(guī)律變化，即使試樣的體能量密度相同時(shí)，自腐蝕電位也不一樣，耐腐蝕性能也不一樣。試樣S4和S8的體能量密度雖然都是55.56 J/mm3，但是自腐蝕電位卻相差巨大，S4和S8試樣的自腐蝕電位分別是-0.5643 V和-0.4213 V，結(jié)合圖2的組織可以看出，S4試樣表面的缺陷比S8試樣的多且更加復(fù)雜，容易形成更多具有電勢(shì)差的原電池組，加速腐蝕過程，因此耐腐蝕性要差。圖7給出了試樣S4中的缺陷微觀形貌，包括孔洞和裂紋，這是由于316L不銹鋼粉末在激光作用下融化凝固和冷卻速度極快導(dǎo)致[20]。

圖6 體能量密度對(duì)SLM 316L不銹鋼成形件自腐蝕電位的影響Fig.6 Effect of bulk energy density on self-corrosion potential of the SLM 316L stainless steel parts

圖7 S4試樣中的裂紋及未熔缺陷Fig.7 Cracks and unmelted defects in the S4 specimen

3 結(jié)論

1) 通過正交試驗(yàn)，結(jié)合SLM 316L不銹鋼成形件的微觀形貌和其在電化學(xué)試驗(yàn)中的結(jié)果可知，SLM 316L不銹鋼成形件的表面成形質(zhì)量對(duì)其耐腐蝕性有較大影響，表面缺陷的種類和數(shù)量越多，耐腐蝕性越差。體能量密度為44.64 J/mm-3時(shí)，SLM 316L不銹鋼成形件的自腐蝕電位最高，組織表面的氣孔等缺陷相對(duì)較少，耐腐蝕性最好；當(dāng)體能量密度過大或過小時(shí)，成形件表面的氣孔和孔洞等缺陷較多，自腐蝕電位減小，耐腐蝕性變差。

2) 激光功率、掃描間距和掃描速度對(duì)SLM 316L不銹鋼成形件的耐腐蝕性能影響的次序?yàn)椋杭す夤β?掃描間距和掃描速度(掃描間距和掃描速度同等重要)。最佳的工藝參數(shù)組合為激光功率250 W，掃描間距0.14 mm，掃描速度800 mm/s。