选区激光熔化316L不锈钢成形工艺与性能研究 下载: 804次
1 引言
增材制造是在20世纪末期兴起的一种依据逐层累积制造原理直接成形的制造技术[1]。与传统制造相比,增材制造具有智能化、无人看管、成形周期短等优点[2-4],在各种制造行业中被使用广泛。其中,选区激光熔化(SLM)技术通过粉末逐层熔化再凝固的方式直接成形零件,成形精度比较高,材料的利用率极高,而且使用过的粉末可以多次回收利用,对环境不产生污染,具有广阔的发展前景[5-8]。目前,SLM技术在金属、合金、非晶合金领域的相关研究,已取得了丰硕成果[9-11]。
不锈钢以其良好的力学性能、耐蚀性和耐高温性能[12]被广泛应用于医疗设备[13]、轻量化结构[14-15]以及多孔且形状复杂构件的SLM成形上[16]。马英怡等[17]研究了扫描速度和线间距对SLM成形316L不锈钢试样力学性能的影响,结果发现,适宜的扫描速度能够提高试样的力学性能。边培莹[18]对SLM成形的316L不锈钢试样进行热处理后发现,热处理可使试样内部的热应力得到有效释放。Yadollahi等[19]发现,直接激光沉积316L不锈钢试样经热处理后晶粒会变大,这会对试样的力学性能产生显著影响。目前所查资料显示,很少有人研究冷却方式对SLM成形316L不锈钢试样性能的影响,特别是对其耐蚀性影响的研究极少。鉴于此,本文以回收利用的316L不锈钢粉末为原料进行增材制造,寻找最佳工艺参数,为生产实际提供应用依据。同时,本文对成形试样进行热处理后采用不同的方式进行冷却,以研究冷却方式是否会对试样的力学性能、耐蚀性和内部组织产生影响,并对试样拉伸断口形貌进行了观察与分析。
2 试验材料与方法
2.1 试验材料
选用经过4次打印回收利用的316L不锈钢旧粉作为本试验的打印材料,这种使用过多次的旧粉在生产中更具实际意义和价值。在成形试样之前,使用防爆筛分机根据设置的粒径范围,将那些没有完全熔化的残渣以及因熔体飞溅而烧蚀的球团从使用过的不锈钢粉末中筛选出来,再将筛选后的粉末放在真空干燥箱中,在200 ℃环境下进行2 h干燥处理。然后采用Regulus 8230扫描电镜对粉末的表面形状进行观察,观察结果如
采用Mastersizer 3000E粒度分析仪对使用过的粉末进行分析,分析结果如
表 1. 316L不锈钢粉末的化学成分
Table 1. Chemical composition of 316L stainless steel powder
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2.2 试样制备
本文采用TB-SLM100选区激光熔化设备成形试样,选用的激光器类型为IPG500W单模光纤激光器(波长1064 nm),光斑以圆形模式输出,光斑直径为70 µm。设计16组工艺参数,每组参数下制备5个测试试样,测试试样的直径为10 mm、高度为20 mm,并制作相应的拉伸试样进行拉伸性能测试,拉伸试样的尺寸为55 mm×16 mm×5 mm,拉伸区尺寸为23 mm×4 mm×5 mm。根据前期的试验研究,铺粉厚度L为0.03 mm,扫描间距
2.3 试验方法
在前期试验的基础上制定成形工艺参数,并以此来制备多组测试试样与拉伸试样。采用阿基米德排水法测试成形试样的致密度;采用EM-30AX Plus扫描电镜对成形试样的表面形貌进行表征;采用HVS-1000A自动转塔显微维氏硬度计测试试样的表面硬度,加载载荷为0.1 N,保持时间为15 s;采用WDW-300A微机控制电子万能试验机测试拉伸试样的拉伸性能,拉伸速度为1 mm/min。
选取不同工艺参数成形的试样,对其致密度、表面形貌以及成形性能进行分析,以选出两组最好的工艺参数再次成形测试试样与拉伸试样;然后使用MICRO-X热处理炉对最佳工艺参数成形试样进行固溶热处理(随炉升温,在1050 ℃下保温30 min),然后一组试样采用水冷(水冷至室温),另一组试样采用空冷(空冷至室温),再测试其力学性能;最后使用EM-30AX Plus和扫描电镜观察拉伸试样的断口形貌。
采用CS150H电化学工作站比较最佳工艺参数成形试样热处理前后的耐蚀性,参比电极为饱和甘汞电极,电解液选用0.9%NaCl溶液(溶液中NaCl的质量分数为0.9%),扫描速率为0.5 mV/s;使用MDS型金相显微镜观察最佳工艺参数成形试样热处理前后的显微组织(腐蚀试剂由30 mL酒精、5 mL硝酸、15 mL盐酸、1 g苦味酸和3 g重铬酸钾混合而成,腐蚀时间为60 s),使用X射线衍射仪分析最佳工艺参数成形试样热处理前后的物相差异。
3 试验结果与分析
3.1 工艺参数对成形性能的影响
分别对16组试样的致密度进行测试,测试结果如
表 2. 不同工艺参数下成形试样的致密度
Table 2. Relative density of specimens formed at different process parameters
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图 3. 不同激光能量密度下成形试样的表面形貌。(a) E=48 J/mm3; (b) E=54 J/mm3; (c) E=60 J/mm3; (d) E=66 J/mm3
Fig. 3. Surface morphologies of specimens formed at different laser energy densities. (a)E=48 J/mm3; (b) E=54 J/mm3; (c)E=60 J/mm3; (d) E=66 J/mm3
当E=48 J/mm3时,激光能量密度处于较低水平,被激光辐照的粉末不能吸收足够使其完全熔化的能量,熔池中的部分熔体受表面张力的作用而变成球形,当某一层有球化现象发生时,便会导致许多形状各异且大小不一的孔隙出现,此时试样的致密度就会比较低,最低只有97.53%。当激光能量密度处于较高水平时,激光辐照金属粉末能够进一步充分熔化粉末,同时温度升高,导致熔体的表面张力降低,阻碍了熔池中熔体发生球化的趋势,试样的致密度得以提高。但当激光能量密度过大时,粉末就会出现过熔现象,金属熔体量增多,容易发生氧化,从而导致熔体球化的现象发生,最终使得试样的成形质量不佳[22]。
可见,激光能量密度会对SLM成形试样的质量产生很大影响。由
图 4. 相同激光能量密度下不同P和v对应的成形试样的表面形貌。(a) =160 W, v=1000 mm/s; (b) =180 W,v=1125 mm/s; (b) =200 W,v=1250 mm/s; (d) Fig. 4. Surface topography of formed specimens corresponding to different parameters at the same laser energy density.(a) =160 W, v=1000 mm/s; (b) =180 W,v=1125 mm/s;(c)
Fig. 4. Surface topography of formed specimens corresponding to different parameters at the same laser energy density.(a) =160 W, v=1000 mm/s; (b) =180 W,v=1125 mm/s;(c)
分别对16组试样表面随机测量10次硬度,取硬度的平均值与标准差作图,结果如
图 5. 不同激光能量密度下成形316L不锈钢的表面硬度
Fig. 5. Surface hardness of 316L stainless steel formed at different laser energy densities
不同激光能量密度下成形试样的抗拉强度如
图 6. 不同激光能量密度下成形试样的抗拉强度和延伸率
Fig. 6. Tensile strength and elongation of formed specimens at different laser energy densities
在E为54 J/mm3时,不同工艺参数下成形试样的抗拉强度和延伸率如
图 7. 不同工艺参数下成形试样的抗拉强度和延伸率
Fig. 7. Tensile strength and elongation of specimens formed at different process parameters
3.2 冷却方式对性能的影响
根据3.1节致密度和力学性能测试的结果,选择最优工艺参数(
在激光能量密度为54 J/mm3的条件下,选择工艺参数
图 9. 两组参数下成形试样的抗拉强度和延伸率。(a) =180 W, v=1000 mm/s;(b) =180 W, v=900 mm/s
Fig. 9. Tensile strength and elongation of formed specimens at two parameters. (a) =180 W, v=1000 mm/s;(b) =180 W, v=900 mm/s
在激光能量密度为60 J/mm3的条件下,选择工艺参数P=180 W和v=900 mm/s成形试样,试样的抗拉强度达到了785 MPa;对该试样进行两种冷却方式不同的热处理,可以发现,试样的抗拉强度与原始试样相比均有所降低,但试样的延伸率却有所提高:在水冷条件下,抗拉强度从原始试样的785 MPa降至700 MPa左右,延伸率从原始试样的40.77%升至50.52%;在空冷条件下,抗拉强度从原始试样的785 MPa降至715 MPa左右,延伸率从40.77%升至54.99%。
综合考虑两组硬度、拉伸试验的结果,最终选择
图 10. 断口形貌。(a)原始试样;(b)水冷试样;(c)空冷试样
Fig. 10. Fracture morphologies.(a) Original specimen;(b) water-cooled specimen;(c) air-cooled specimen
热处理前后试样的动电位扫描极化曲线如
图 11. 316L不锈钢热处理前后的极化曲线
Fig. 11. Polarization curves of 316L stainless steel before and after heat treatment
316L不锈钢热处理前后的显微组织如
图 12. 316L不锈钢热处理前后的显微组织。(a)原始试样;(b)空冷试样;(c)水冷试样
Fig. 12. Microstructures of 316L stainless steel before and after heat treatment.(a)Original specimen;(b)air-cooled specimen;(c)water-cooled specimen
采用X射线衍射仪(XRD)对316L不锈钢热处理前后的物相进行分析,结果如
图 13. 316L不锈钢热处理前后的XRD谱
Fig. 13. XRD spectra of 316L stainless steel before and after heat treatment
结合金相实验与XRD测试分析,认为是晶粒尺寸的变化导致试样热处理前后的性能出现了差异。因为在固溶处理条件下,SLM试样原子的扩散能力得到增强,晶粒之间更容易发生吞并行为,使得晶粒尺寸显著增大[24]。于是,运动的位错数量因晶界总面积减小而增加,表现为材料的硬度和抗拉强度降低,延伸率增大。其中,水冷试样的晶粒尺寸最大,故其硬度、抗拉强度和延伸率都要比空冷试样的小,力学性能最差。另外,由于试样采用的是固溶处理,处理后高碳化合物溶解在奥氏体内,仍属于单相奥氏体,避免了因铬缺失而导致晶界腐蚀的现象发生。因为晶界上的原子排列非常杂乱,容易受到腐蚀,故晶界越多,材料的耐蚀性越差。水冷提高了316L不锈钢的耐蚀性,因为水冷试样的晶粒最大,晶界最少。
4 结论
在其他工艺参数不变的条件下,当激光能量密度处于较低水平时,利用SLM技术成形的316L不锈钢试样的致密度、表面形貌和成形性能较差;随着激光能量密度增大,成形试样的致密度、表面质量和成形性能均先增加后降低。
当其他工艺参数不变且激光能量密度相同时,采用较小的
SLM成形316L不锈钢试样热处理后的组织仍为奥氏体,试样的硬度与抗拉强度下降,延伸率和耐蚀性提高。
通过观察拉伸试样的断口形貌可以发现,成形试样与热处理试样的断口都呈韧性断裂,且在断裂口处出现了一些细小的球形颗粒。
综上所述,316L不锈钢SLM成形的最佳激光能量密度为54 J/mm3,在
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