激光熔化沉積參數(shù)對(duì)316L單道幾何特征的影響

段成紅,池瀚林,羅翔鵬,宮鵬杰

(1.北京化工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院,北京 100029；2.化工設(shè)備設(shè)計(jì)研究所,北京 100029)

1 引 言

316L奧氏體不銹鋼具有良好的耐腐蝕性、抗氧化性和易成形性[1],因而被廣泛的應(yīng)用于化工、核電、醫(yī)療、航空航天等工業(yè)領(lǐng)域[2]。316L無(wú)法通過(guò)熱處理工藝相變強(qiáng)化,通常通過(guò)冷作硬化的方式提高強(qiáng)度,但這種方法會(huì)犧牲一定的塑性,且在高溫下因再結(jié)晶作用會(huì)使強(qiáng)度降低。隨著316L不銹鋼應(yīng)用范圍的逐漸擴(kuò)大,高強(qiáng)度與高塑性不可兼得的弊端限制了該合金的進(jìn)一步利用[3]。

激光熔化沉積是利用激光束將同步輸送的粉末原料熔化并快速凝固成致密的近凈成形件的增材制造技術(shù)[4]。其成型過(guò)程中合金的凝固是屬于非平衡、瞬時(shí)凝固過(guò)程,且不同工藝參數(shù)的組合會(huì)導(dǎo)致致密度、組織結(jié)構(gòu)、冷卻速率等特征的不同[5],其中致密度對(duì)金屬材料力學(xué)性能的影響起主導(dǎo)作用[6]。苗佩[7]等通過(guò)調(diào)整層間提升量與送粉率控制沉積效率,研究了不同沉積效率對(duì)316L激光熔化沉積單道多層樣件的表面質(zhì)量、有效寬度、激光能耗和致密度的影響。Tapoglou[8]等通過(guò)改變激光功率和送粉率,固定掃描速度和保護(hù)氣體流量,可以控制沉積高度、稀釋率和熱影響區(qū)的形成。沉積高度隨送粉率線性增加,當(dāng)激光功率增大送粉率降低,稀釋率增高,熱影響區(qū)增大。Antony[9]等基于有限元的單粉層傳熱模型,對(duì)單道打印的幾何特性進(jìn)行了數(shù)值研究,利用所建立的仿真模型,分析了工藝參數(shù)對(duì)軌道寬度、深度等幾何特性的影響。

在激光熔化沉積相關(guān)的研究中,工藝參數(shù)的選定至關(guān)重要。工藝參數(shù)設(shè)計(jì)范圍廣,其中對(duì)激光熔化沉積影響最大的是激光功率與掃描速度。本文設(shè)計(jì)了相關(guān)工藝試驗(yàn),首先基于工藝參數(shù)和沉積幾何特征建立了回歸模型,探究了316L激光熔化沉積過(guò)程中沉積層與熔池形貌的相關(guān)規(guī)律,然后結(jié)合能量密度分析了工藝參數(shù)對(duì)單道沉積幾何特征的影響規(guī)律,為后續(xù)316L激光熔化沉積零件疲勞實(shí)驗(yàn)試樣的制備提供基礎(chǔ)與參數(shù)指導(dǎo)。

2 實(shí)驗(yàn)方法

2.1 實(shí)驗(yàn)材料

激光熔化沉積實(shí)驗(yàn)使用的316L不銹鋼粉末由江蘇威拉里新材料科技有限公司制備,化學(xué)成分所占質(zhì)量比如表1所示。為保證激光熔化沉積加工過(guò)程中粉末流動(dòng)性的均勻,粉末粒徑主要為50～150 μm,其粒徑分布具體為D10=56.9 μm,D50=83.6 μm,D90=122.0 μm。

表1 316L不銹鋼粉末化學(xué)元素成分

實(shí)驗(yàn)前將316L粉末放置在120 ℃的密封干燥箱內(nèi)進(jìn)行干燥大約120 min；使用砂輪打磨基板表面以去除污漬,再用乙醇擦拭基板表面并風(fēng)干。實(shí)驗(yàn)所選用的基板為316L不銹鋼板,單道沉積實(shí)驗(yàn)中基板尺寸為60 mm×40 mm×6 mm。激光熔化沉積實(shí)驗(yàn)過(guò)程中使用氬氣進(jìn)行保護(hù)。

2.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

激光熔化沉積實(shí)驗(yàn)選用光纖激光器、同軸送粉裝置以及機(jī)器人等構(gòu)成的LMD試驗(yàn)平臺(tái),如圖1所示。激光器為最大輸出功率為4000 W的國(guó)產(chǎn)光纖激光器,激光波長(zhǎng)的范圍為1060～1080 nm,光斑直徑為0.5～5 mm之間；四路同軸送粉裝置可以保證粉末的利用率,送粉量可在1～400 g/min之間調(diào)節(jié),沉積效率可達(dá)到50 mm3/s以上；選用六軸工業(yè)機(jī)器人,并用軟件CAAM進(jìn)行編程控制機(jī)器人,運(yùn)動(dòng)重復(fù)精度可達(dá)到±0.03 mm,最大工作范圍可達(dá)到2000 mm。

圖1 LMD實(shí)驗(yàn)設(shè)備

金相觀察實(shí)驗(yàn)中使用上海研潤(rùn)光機(jī)科技有限公司生產(chǎn)的XQ-2B金相鑲嵌機(jī)鑲嵌試樣。使用上海研潤(rùn)光機(jī)科技有限公司生產(chǎn)的MPD-2W金相磨拋機(jī)拋光試樣。使用上海研潤(rùn)光機(jī)科技有限公司生產(chǎn)的MX4R金相顯微鏡及TP114000A成像系統(tǒng)觀察試樣。

2.3 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

激光熔化沉積是一種增材制造工藝,因?yàn)槠浼庸すに嚍橹饘盈B加,所以單道沉積的質(zhì)量極其重要。單道沉積實(shí)驗(yàn)旨在研究316L激光熔化沉積的工藝參數(shù)對(duì)熔池寬度、沉積高度、沉積層面積、熔池面積的影響規(guī)律與機(jī)理。

實(shí)驗(yàn)主要關(guān)注兩個(gè)主要變量:激光功率和掃描速度,見(jiàn)表2。針對(duì)單道沉積實(shí)驗(yàn),采用完全實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì),共25組。單道沉積長(zhǎng)度均為40 mm,每塊基板沉積一道,見(jiàn)圖2。實(shí)驗(yàn)中其他工藝參數(shù)均不變化,光斑直徑為4 mm,送粉率為2.2 r/min(約為18 g/min),送粉氣7 L/min,保護(hù)氣15 L/min。

表2 激光熔化沉積工藝參數(shù)

圖2 激光熔化沉積實(shí)驗(yàn)試樣

根據(jù)單道沉積實(shí)驗(yàn)結(jié)果,采用回歸方程,對(duì)單道沉積實(shí)驗(yàn)的熔池寬度、沉積高度、沉積層面積和熔池面積進(jìn)行分析,揭示激光功率與掃描速度對(duì)熔池與沉積層結(jié)構(gòu)的影響規(guī)律。

3 分析與討論

3.1 數(shù)據(jù)測(cè)量

單道沉積實(shí)驗(yàn)的幾何特征數(shù)據(jù)通過(guò)金相法進(jìn)行測(cè)量。在金相觀察之前,首先采用線切割將樣板切割成5 mm×5 mm×3 mm固定大小的樣塊,然后使用鑲嵌粉鑲嵌樣塊,接著依次選用粒度為400#、600#、800#、1000#、1500#、2000#、3000#的金相砂紙對(duì)樣塊截面進(jìn)行打磨,再經(jīng)轉(zhuǎn)速為600 r/min的金相研磨機(jī)拋光,最后采用氯化鐵鹽酸溶液(5 g三氯化鐵,150 mL濃鹽酸)進(jìn)行腐蝕30 s。使用金相顯微鏡觀察并測(cè)量單道沉積試樣的幾何特征:沉積高度H、熔池寬度W、沉積層面積S1和熔池面積S2。其中沉積總面積S的計(jì)算公式分別為[10]:

S=S1+S2

(1)

每塊試樣在勻速段切割三個(gè)平面測(cè)量幾何特征并取算數(shù)平均值,見(jiàn)圖3。采用SPSS軟件對(duì)激光功率、掃描速度與單道沉積的幾何特征測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析[11]。根據(jù)現(xiàn)有研究[12]發(fā)現(xiàn),二元非線性方程擬合度較高,其回歸方程為:

(a)熔池形貌圖

D=aP+bV+cPV+z

(2)

式中,D為測(cè)量數(shù)據(jù)；P為激光功率；V為掃描速度；a,b,c,z為回歸方程各項(xiàng)系數(shù)。

分析工藝參數(shù)對(duì)單道沉積幾何特征影響時(shí),使用面能量密度J(J·mm2)統(tǒng)一激光功率與掃描速度兩個(gè)變量,其計(jì)算公式為[13]:

(3)

式中,J為面能量密度；P為激光功率；V為掃描速度；d為光斑直徑。

3.2 回歸分析

通過(guò)金相觀察,測(cè)量各幾何特征參數(shù)如圖4所示。

(a)熔池寬度

分析結(jié)果顯示,激光功率和掃描速度可以很好地預(yù)測(cè)單道沉積的各幾何特征參數(shù),模型擬合度良好,其回歸方程為:

W=0.314P-129.39V+0.0194PV+4369.34

(4)

H=0.380P-14.429V-0.0280PV+804.65

(5)

S1=0.00346P+0.17391V-0.000203PV-2.4750

(6)

S2=0.00240P-0.01546V-0.000064PV-2.5570

(7)

每個(gè)模型的擬合度均在0.90以上[14],擬合度質(zhì)量高,見(jiàn)表3。并且共線性診斷結(jié)果顯示回歸模型不存在多重共線性問(wèn)題[15],偏回歸系數(shù)可靠,且回歸模型符合正態(tài)性假設(shè)的前提條件。根據(jù)回歸方程繪制相應(yīng)的回歸模型圖,如圖5所示。由圖5可知:隨著激光功率的增加、掃描速度的減小,單道沉積的寬度、高度、沉積層面積和熔池面積均增加。表明基于316L奧氏體不銹鋼材料單道激光熔化沉積的寬度、高度、沉積層面積和熔池面積與激光功率呈正相關(guān)性,與掃描速度呈負(fù)相關(guān)性。

表3 回歸方程擬合度R2

(a)熔池寬度

3.3 模型驗(yàn)證

為驗(yàn)證回歸模型的準(zhǔn)確性,使用表4中單道沉積實(shí)驗(yàn)工藝參數(shù),驗(yàn)證回歸分析模型所得結(jié)果的正確性。

表4 回歸模型驗(yàn)證工藝參數(shù)

將實(shí)驗(yàn)所得單道幾何特征數(shù)據(jù)與方程模型所預(yù)測(cè)的幾何特征數(shù)據(jù)進(jìn)行比較,見(jiàn)圖6。在考慮激光熔化沉積過(guò)程中可能出現(xiàn)的不穩(wěn)定性和測(cè)量過(guò)程中產(chǎn)生誤差的基礎(chǔ)上,單道沉積的尺寸回歸模型具有較好的準(zhǔn)確性。結(jié)合表3與圖6發(fā)現(xiàn)各幾何特征回歸模型預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確度良好,分別為熔池寬度(R2=0.971)、熔池面積(R2=0.951)、沉積層面積(R2=0.930)和沉積高度(R2=0.914),證明在激光熔化沉積工藝參數(shù)變換過(guò)程中熔池寬度、沉積高度、沉積層面積和熔池面積的變化趨勢(shì)與回歸分析預(yù)測(cè)模型相同,即與激光功率呈正相關(guān)性、與掃描速度呈負(fù)相關(guān)性,并且回歸方程能夠較為準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)幾何特征參數(shù)。

(a)熔池寬度

3.4 單道沉積結(jié)構(gòu)分析

由圖7(a)(b)中等勢(shì)線變化規(guī)律發(fā)現(xiàn):激光功率對(duì)熔池面積(最大增幅76.6%)的影響相與掃描速度(最大增幅73.7%)對(duì)熔池面積的影響顯著性相近；掃描速度對(duì)沉積層面積(最大增幅64.3%)的影響相較于激光功率對(duì)沉積層面積(最大增幅36.0%)的影響更顯著。激光功率與掃描速度對(duì)橫截面積幾何特征的影響差異原因?yàn)?當(dāng)掃描速度不變,隨著激光功率增加,激光熔化基板的能量增加,溫度升高,基板的激光吸收率增大,進(jìn)一步導(dǎo)致基板吸收熱量效率增加,因此熔池的寬度和深度進(jìn)一步增大[15]；當(dāng)激光功率不變,隨著掃描速度增加,單位時(shí)間內(nèi)送粉量減小,導(dǎo)致粉末在沉積層中的熔化量減小,因此沉積層的高度降低[16]。

根據(jù)圖7與式(1)和式(3)可知:隨著能量密度從39.3 J/mm2增加至125.0 J/mm2,沉積層面積從1.62 mm2增加至5.00 mm2,熔池面積從0.43 mm2增加至3.47 mm2與沉積總面積從2.05 mm2增加至8.97 mm2。當(dāng)激光功率為2400 W、掃描速度為12 mm/s和激光功率2800 W、掃描速度14 mm/s時(shí),兩種工藝參數(shù)的面能量密度均為50 J/mm2,但是橫截面積參數(shù)不同,沉積總面積分別為3.21 mm2和3.49 mm2,沉積層面積分別為1.99 mm2和1.90 mm2,熔池面積分別為1.22 mm2和1.59 mm2。

(a)沉積層面積

同時(shí),能量密度為75 J/mm2對(duì)應(yīng)的單道沉積實(shí)驗(yàn)結(jié)果中也發(fā)現(xiàn)相似現(xiàn)象,見(jiàn)圖8。雖然工藝參數(shù)具有相同的能量密度,但由于不同的激光功率與掃描速度影響熔池形貌與沉積層形貌顯著性不同,所以單道沉積的幾何特征不同。因此,針對(duì)激光熔化沉積過(guò)程中單道沉積的幾何特征,無(wú)法單獨(dú)使用能量密度進(jìn)行預(yù)測(cè)。

(a)能量密度50 J/mm2

綜上,激光功率主要影響熔池的幾何特征,而掃描速度主要影響沉積層的幾何特征,并且能量密度無(wú)法對(duì)激光熔化沉積單道沉積的幾何特征進(jìn)行準(zhǔn)確預(yù)測(cè)。

4 結(jié) 論

基于316L奧氏體不銹鋼粉末進(jìn)行了激光熔化沉積實(shí)驗(yàn)研究,主要分析了在相同送粉率的條件下,激光功率和掃描速度兩種工藝參數(shù)對(duì)單道沉積幾何特征的影響,可以得到如下結(jié)論:

(1)對(duì)工藝參數(shù)與幾何特征測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行了回歸分析,建立了回歸方程,并驗(yàn)證了其準(zhǔn)確性；熔池寬度(R2=0.971)、熔池面積(R2=0.951)、沉積層面積(R2=0.930)和沉積高度(R2=0.914)均與工藝參數(shù)有良好的擬合度,有利于回歸模型對(duì)其進(jìn)行預(yù)測(cè)；

(2)在本實(shí)驗(yàn)工藝參數(shù)范圍內(nèi),單道激光熔化沉積的寬度、高度、沉積層面積和熔池面積與激光功率呈正相關(guān)性,與掃描速度呈負(fù)相關(guān)性；

(3)激光功率主要影響熔池的幾何特征,而掃描速度主要影響沉積層的幾何特征,能量密度無(wú)法對(duì)單道激光熔化沉積的幾何特征進(jìn)行準(zhǔn)確預(yù)測(cè)。