激光功率對SLM成形304L不銹鋼組織和力學性能的影響

呂海馬 白晶斐 張學睿 陳誠 門正興

(1.鋼研納克檢測技術股份有限公司，北京 100076；2.成都航空職業(yè)技術學院航空裝備制造產(chǎn)業(yè)學院，四川 成都 610199)

激光選區(qū)熔化成形技術(selective laser melting，SLM)采用高能量密度激光器作為熱源，通過激光照射實現(xiàn)單層金屬粉末熔化后快速凝固，再用金屬粉末覆蓋已成形區(qū)域，如此過程反復最終形成零件[1-3]。與其他金屬零件成形方法相比，SLM金屬3D打印技術成形特點是快速成形力學性能接近鍛件、形狀復雜的中小型零件，特別是包含復雜內(nèi)部結構，如空腔、柵格、多孔、內(nèi)流道等結構的零件的制造[4-7]，在具有復雜結構的薄壁件領域也具有廣闊的應用前景[8]。由于能夠實現(xiàn)高性能復雜結構金屬零件的無模具、快速、近凈成形，SLM成為了應對醫(yī)療、航空、航天、發(fā)動機等領域技術挑戰(zhàn)的最佳成形工藝途徑[9-12]。

零件特征、設備性能、粉末材料、工藝參數(shù)以及后處理方法均對SLM成形最終零件力學及幾何量特征有重要影響，其中對成形工藝參數(shù)的研究最為廣泛。為了快速獲得高性能的金屬零件，需要對SLM工藝進行研究和優(yōu)化，并進行大量工藝試驗。本文以304L不銹鋼激光選區(qū)熔化成形為例，研究了激光功率對SLM成形304L不銹鋼力學性能的影響，從而為得到304L不銹鋼激光選區(qū)熔化最佳工藝參數(shù)做出貢獻。

1 試驗材料及方法

試驗選用配備500 W光纖激光器的GF Flex 350設備(如圖1)開展304L不銹鋼激光選區(qū)熔化成形試驗，原材料為采用真空霧化法制備的304L不銹鋼粉末，其粒徑15～53 μm，松裝密度為4.1 g/cm3，霍爾流速為18 s/50 g，主要化學成分如表1所示。成形主要工藝參數(shù)為：激光功率300～400 W、激光掃描速度800 mm/s、鋪粉厚度0.03 mm、掃描間距0.01 mm，設備抽真空后注入高純氬氣以保證成形過程中氧含量控制在10×10-6以下。GF Flex 350設備成形基板尺寸為275 mm×275 mm，一次可以成形多種試樣(如圖2)，試樣從基板上切割后直接進行微觀組織分析及力學性能測試。

圖1 激光選區(qū)熔化成形設備 Flex 350Figure 1 Selective laser melting and forming equipment Flex 350

表1 304L不銹鋼化學成分(質量分數(shù)，%)Table 1 Chemical compositions of 304L stainless steel(mass fraction,%)

圖2 激光選區(qū)熔化304L不銹鋼試樣Figure 2 The samples of SLM 304L stainless steel

依據(jù)DIN EN ISO 148-1標準制備U型缺口標準沖擊試樣，采用ZWICK RKP450沖擊試驗機進行沖擊試驗，缺口在試樣上方，垂直于激光掃描方向。試驗選用的試樣均為不同激光功率下一次性成形，不做后處理。依據(jù)GB/T 231.1—2018《金屬材料 布氏硬度試驗 第1部分：試驗方法》標準，采用Qness 3000 CS EVO硬度儀進行硬度測試。金相組織觀察試樣采用50%王水酒精溶液進行腐蝕，腐蝕時間10 s，腐蝕后試樣采用AxioScope A1金相顯微鏡進行觀察。沖擊試樣斷口形貌采用HITACHI SU3500掃描電鏡進行觀察。

2 試驗結果與分析

2.1 不同激光功率對SLM成形304L硬度的影響

圖3為不同激光功率下304L硬度值變化曲線。試驗溫度為25℃，硬度值為試樣上表面3個檢測點與側面3個檢測點的平均值。由圖可知，在掃描速度為800 mm/s，激光功率為300～440 W區(qū)間內(nèi)，304L不銹鋼硬度最小值為199.5HBW，最大值為207HBW，不同激光功率對硬度值影響不大，激光功率為400 W時硬度最高。

圖3 掃描速度為800 mm/s情況下，激光功率對304L不銹鋼硬度的影響Figure 3 The effect of laser power on hardness of 304L stainless steel under scanning speed of 800 mm/s

2.2 不同激光功率對SLM成形304L沖擊吸收能量的影響

圖4為不同激光功率情況下304L沖擊吸收能量(KU2)變化曲線，試驗溫度為25℃。由圖可知，在掃描速度為800 mm/s，激光功率為300～440 W區(qū)間內(nèi)，SLM成形304L不銹鋼的沖擊吸收能量不呈單增或單減，而是呈一定起伏狀，表明在不同激光功率下，SLM成形的304L不銹鋼試樣內(nèi)部或隨激光功率的變化而變化。304L不銹鋼KU2最小值為137.6 J(800 mm/s，400 W)，平均KU2為140 J。304L不銹鋼在800 mm/s、360 W情況下KU2達到峰值，為144.9 J。

圖4 掃描速度為800 mm/s情況下，激光功率對304L不銹鋼沖擊吸收能量的影響Figure 4 The effect of laser power on impact absorbed energy of 304L stainless steel under scanning speed of 800 mm/s

2.3 SLM成形304L典型微觀組織

對試樣進行低倍金相組織分析，圖5為掃描速度800 mm/s、激光功率360 W情況下，SLM成形零件側面腐蝕前低倍金相組織圖。如圖5(a)所示，試樣致密度高，內(nèi)部僅有少量最大直徑為20 μm的孔洞形缺陷。圖5(b)所示為不銹鋼試樣側面腐蝕后金相組織圖，從圖中可以看到，SLM成形后組織呈典型魚鱗狀組織[13]，這是在激光掃描下，粉末逐層融化凝固后堆積所形成，這同傳統(tǒng)工藝制備的304L不銹鋼組織有明顯不同。各熔道分布均勻，熔道深度各有不同，這是由于下層凝固粉末在還未完全冷卻時，上層粉末在激光掃描下融化繼續(xù)受熱，由于每個部位的融化-凝固-受熱程度不一樣，使得各熔道間的尺寸會有所差異[14]，但整體尺寸差異不大。

(a)腐蝕前 (b)腐蝕后

圖6為掃描速度800 mm/s、激光功率360 W情況下SLM成形304L不銹鋼側面和頂面掃描電鏡圖。從圖6(a)可以看到熔道內(nèi)部組織表現(xiàn)出不同的晶粒組織，主要為胞狀晶和柱狀晶，同傳統(tǒng)的奧氏體組織有明顯差異[15]。其中胞狀晶均勻且致密，柱狀晶有明顯的方向性，這是由于粉末熔化后迅速凝固，胞狀結構晶粒會轉化為伸長的柱狀結構。在熔道的交界處存在較小的胞狀和柱狀結構組織，這是由于在界面處散熱速度最快，胞狀晶和柱狀晶失穩(wěn)形成的枝晶[16]。從圖6(b)可以看到，SLM成形304L不銹鋼頂部組織有類似鑄造組織結構，熔道的邊緣由于散熱速度快，從而晶粒細小，往內(nèi)有垂直于熔道邊界(散熱方向)的柱狀晶，而熔道內(nèi)部則為較為粗大的胞狀等軸晶。由于熔道內(nèi)部的散熱復雜，并非朝向某一特定方向，所以熔道內(nèi)存在朝著不同方向的柱狀晶[17]。

(a)側面組織 (b)頂部組織

(a)激光功率300 W

2.4 不同激光功率對SLM成形304L沖擊試樣斷口形貌的影響

圖7為掃描速度800 mm/s、激光功率300～440 W不同激光功率下沖擊試樣斷口形貌圖，從左側宏觀形貌能夠看到所有試樣表面粗糙，高低起伏，表明在斷裂過程中為塑性斷裂。中間圖片為左側圖中部方框區(qū)域的低倍放大圖，在不同功率得到的試樣表現(xiàn)出接近的形貌，粗糙的中間區(qū)域分布有些許孔洞，試樣在受到快速沖擊時，材料脆性傾向增大，試樣內(nèi)部氣孔周圍開始破壞，從而使得試樣表面能夠看到0.1 mm左右的孔洞。最右側圖片為中間圖片中部方框區(qū)域的局部放大圖，從圖中可以看到在不同功率下的試樣均能夠看到明顯的韌窩，當激光功率為300 W(圖7a)時，試樣內(nèi)部大小韌窩均勻分布，韌窩周圍撕裂棱明顯，表明在斷裂過程中試樣變形均勻，從而表現(xiàn)出較好的沖擊韌性。隨著激光功率提高到320 W(圖7b)和340 W(圖7c)，試樣內(nèi)部大小韌窩排列不均勻，且較淺，所以表現(xiàn)出較低的沖擊韌性[18]。

當激光功率為360 W(圖7d)時，試樣內(nèi)部大小韌窩交替排列，撕裂棱明顯，且能看到韌窩被拉長形成的塑性變形區(qū)，變形區(qū)變形均勻，變形帶短而寬，表明在斷裂過程中能很好的吸收沖擊能量[19]。

當激光功率進一步提高，試樣表面雖也能看到明顯的塑性變形區(qū)域，但是此時塑性變形帶短而長且變形帶表面較為光滑，表明在受力過程中變形迅速，不能很好吸收沖擊能量，進而表現(xiàn)出較差的沖擊韌性。當激光功率為400 W(圖7f)時，甚至能看到明顯的分層現(xiàn)象，其阻斷了試樣的連續(xù)性，所以表現(xiàn)出最差的沖擊韌性。當激光功率為420 W(圖7g)和440 W(圖7h)時，斷口處能看到明顯的塑性變形區(qū)，然而功率為440 W時，斷口處的塑性變形區(qū)存在韌窩較淺的光滑區(qū)域，表明塑性變形程度較低，所以其沖擊韌性相較于420 W時有所下降。

3 結論

(1)SLM成形304L不銹鋼微觀組織致密，內(nèi)部僅有少量20 μm以下的孔洞形缺陷；

(2)當激光功率為300～440 W，激光掃描速度為800 mm/s時，激光功率對SLM成形304L不銹鋼硬度影響不大，其平均硬度為203HBW；

(3)在試驗范圍內(nèi)，沖擊吸收能量并不與激光功率呈正相關，當激光功率為360 W時，304L材料內(nèi)部變形均勻，表現(xiàn)出最好的沖擊韌性，沖擊吸收能量為144.9 J。