劉 艷１,李宗義１,２,張曉剛１,張 昊２

(１．蘭州理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院,蘭州 ７３００５０;２．甘肅機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院,天水 ７４１００１)

摘 要:對(duì)３１６L不銹鋼粉進(jìn)行選擇性激光熔化成形,利用正交試驗(yàn)方法分析激光功率、掃描速度和掃描間距對(duì)成形試樣相對(duì)密度、拉伸性能和微觀形貌的影響,得到了最佳工藝參數(shù).結(jié)果表明:成形試樣的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度和相對(duì)密度均隨激光功率或掃描速度的增加先增后降,隨掃描間距的增加而增大;伸長(zhǎng)率隨激光功率的增加先降后增,隨掃描速度的增加而增大,隨掃描間距的增加變化很小;最佳工藝參數(shù)組合為激光功率３１０W,掃描速度９６０mm??s－１,掃描間距０．１３mm;在最佳工藝下成形后試樣的相對(duì)密度、抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度均最大,分別為９９．５３％,６１３MPa和３２０MPa,伸長(zhǎng)率為４４．６％,成形試樣的表面平整,孔隙較小,拉伸斷口上的韌窩細(xì)小均勻,且球化現(xiàn)象較少.

關(guān)鍵詞:３１６L不銹鋼粉;選擇性激光熔化;拉伸性能;相對(duì)密度;正交試驗(yàn)

中圖分類號(hào):TG１４２．１ 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A 文章編號(hào):１０００Ｇ３７３８(２０１８)０５Ｇ００４０Ｇ０５

０ 引 言

選擇性激光熔化是２０世紀(jì)９０年代發(fā)展起來(lái)的一種新技術(shù),該技術(shù)可實(shí)現(xiàn)金屬粉體的直接成形,具有良好的發(fā)展前景.選擇性激光熔化成形工藝的加工過(guò)程[１Ｇ２]為:使用三維軟件設(shè)計(jì)零件的三維模型,在分層軟件中對(duì)該模型進(jìn)行切片處理,將生成的信息導(dǎo)入到工作臺(tái)中;根據(jù)切片處理生成的信息,使用激光對(duì)粉體進(jìn)行選區(qū)掃描,粉體吸收激光能量而熔化,快速黏接在一起,以此逐層堆積,直至成形出零件.３１６L不銹 鋼 粉 中 含 有 一 定 量 的 鎳 (Ni)和 鉻(Cr),成形后具有較好的塑性和耐磨性,且可在苛刻工況下使用;３１６L 不銹鋼的應(yīng)用范圍廣泛,且價(jià)格合理,未來(lái)發(fā)展前景良好;但采用傳統(tǒng)工藝進(jìn)行加工成形時(shí),其工藝要求很高,若零件結(jié)構(gòu)較復(fù)雜,則加工工序繁瑣、生產(chǎn)周期長(zhǎng)、成本高.近年來(lái),選 擇 性 激 光 熔 化 (SLM)技 術(shù) 發(fā) 展 較快,國(guó)外的相關(guān)研究較多.BALC等[３]使用SLM 技術(shù)對(duì)大型零件進(jìn)行修復(fù);PAUL 等[４]研究了激光快

速成形工藝對(duì)Inconel６２５不銹鋼力學(xué)性能的影響;KEMPEN 等[５]探討了 SLM 工藝對(duì)１８NiＧ３００鋼力學(xué)性能的影響;YASA 等[６]研究了激光重熔對(duì)SLM成形３１６L 不 銹 鋼 顯 微 組 織 的 影 響.而 國(guó) 內(nèi) 有 關(guān)SLM 工藝的研究大多為基礎(chǔ)研究,研究?jī)?nèi)容多集中在激光設(shè)備的內(nèi)部結(jié)構(gòu)組成、應(yīng)用領(lǐng)域、成形材料制備及性能研究等方面,而對(duì)成形過(guò)程中工藝參數(shù)控制的研究較少.因此,作者以３１６L 不銹鋼粉為原料進(jìn)行SLM 成形,研究了激光功率、掃描速度、掃描間距等參數(shù)對(duì)成形試樣相對(duì)密度和力學(xué)性能的影響,得到了優(yōu)化工藝參數(shù).

１ 試樣制備與試驗(yàn)方法

１．１ 試樣制備

試驗(yàn)原料為氣霧化法制備的 ３１６L 不銹鋼粉,化學(xué)成分見(jiàn)表１,顯微組織及粒徑分布見(jiàn)圖１.由圖１可以看出,粉體顆?；境是蛐?其大小不一,平均粒徑為４６．３７μm.

SLM 過(guò)程中影響成形件力學(xué)性能的參數(shù)有很多,如激光功率、掃描速度、掃描間距、鋪粉厚度、掃描方式以及旋轉(zhuǎn)角度等[７Ｇ８].作者在單因素試驗(yàn)的基礎(chǔ)上,選擇激光功率(A)、掃描速度(B)和掃描間距(C)作為影響因素,并確定了三個(gè)水平,選用 L９(３４)表進(jìn)行正交試驗(yàn),因素水平如表２所示.

１．２ 試驗(yàn)方法

密度測(cè)試試樣經(jīng)超聲波清洗、酒精沖洗后,用JSMＧ５６００LV 型低真空掃描電子顯微鏡觀察微觀形貌.采用阿基米德法測(cè)試試樣的密度,測(cè)試天平的精度為０．００１g.相對(duì)密度的計(jì)算公式為

式中:ρ相 為相對(duì)密度;ρ為實(shí)測(cè)密度;ρ標(biāo) 為３１６L不銹鋼粉的理論密度,?。罚梗砱??cm－３.

采用 WDWＧ１E型微機(jī)控制電子式萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行拉伸試驗(yàn),拉伸速度為１mm??min－１,用JSMＧ５６００LV 型低真空 掃 描 電 子 顯 微 鏡 觀 察 拉 伸 斷 口形貌.

２ 試驗(yàn)結(jié)果與討論

２．１ 工藝參數(shù)優(yōu)化

由表３可以看出:試樣的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度和相對(duì)密度均隨激光功率或掃描速度的增加先增后降,隨掃描間距的增加而增大,各因素對(duì)這３個(gè)指標(biāo)的影響由大到小排序均為掃描速度、激光功率、掃描間距,優(yōu)化參數(shù)組合為 A２B２C３,即激光功率３１０W、掃描速度９６０mm??s－１、掃描間距０．１３mm;伸長(zhǎng)率隨激光功率的增加先降后增,隨掃描速度的增加而增大,隨掃描間距的增加變化很小,其優(yōu)化參數(shù)組合為A３B３C３,即激光功率３６０ W、掃描 速 度 １０６０mm??

s－１、掃描間距０．１３mm.綜合考慮各項(xiàng)指標(biāo)后,確定試驗(yàn)的最佳參數(shù)組合為激光功率３１０W、掃描速度９６０mm??s－１、掃描間距０．１３mm.在該工藝參數(shù)下對(duì)３１６L 不銹鋼粉進(jìn)行SLM 成形,測(cè)得其成形試樣的抗拉強(qiáng)度為６１３MPa,屈服強(qiáng)度為３２０MPa,伸長(zhǎng)率為４４．６％,相對(duì)密度為

９９．５３％.與其他９組試驗(yàn)結(jié)果相比,該組參數(shù) SLM成形試樣的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度和相對(duì)密度最大,伸長(zhǎng)率雖較低,但與最大值相差很小.因此,試驗(yàn)得到的最佳工藝參數(shù)合理.

２．２ 微觀組織與斷口形貌

能量輸入密度φ 的物理意義是單位掃描面積所得到的能量,其計(jì)算公式為φ＝P/(vs) (２)式中:P 為激光功率;v 為掃描速度;s為掃描間距.由式(２)可見(jiàn),φ 為激光功率、掃描速度和掃描間距的函數(shù),可以作為綜合評(píng)估這３個(gè)因素對(duì)成形試樣性能影響的參數(shù).

由圖３可見(jiàn):隨著能量輸入密度的增加,成形試樣的相對(duì)密度、抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度均先增后降,伸長(zhǎng)率則先降后增;當(dāng)能量輸入密度為２．４８J??mm－２時(shí),試樣的相對(duì)密度、抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度均最大,但伸長(zhǎng)率相對(duì)較低.

選擇在３組工藝參數(shù)下成形的試樣進(jìn)行對(duì)比:

(１)激光功率３１０ W、掃描速度９６０mm??s－１和掃描間距０．１３ mm,即能量輸入密度為２．４８J??mm－２;

(２)激光功率３６０ W、掃描速度８６０mm??s－１和掃描間距０．１１ mm,即能量輸入密度為３．８１J??mm－２;

(３)激光功率２６０ W、掃描速度１０６０mm??s－１和掃描間距０．１３mm,即能量輸入密度為１．８９J??mm－２.

由圖４和圖５可知:當(dāng)能量輸入密度為２．４８J??mm－２時(shí),成形試樣的表面光滑連續(xù),比較平整,孔隙較小,拉伸斷口上的韌窩細(xì)小均勻,且球化現(xiàn)象較少;當(dāng)能量輸入密度為３．８１J??mm－２時(shí),成形試樣表

面的孔隙很多,且孔隙尺寸較大,拉伸斷口上有球化和開(kāi)裂現(xiàn)象;當(dāng)能量輸入密度為１．８９J??mm－２,成形試樣表面的孔隙同樣較多,且拉伸斷口上也存在球化現(xiàn)象.

綜上所述:當(dāng)激光功率較低時(shí),液相生成不充分,導(dǎo)致粉體流動(dòng)性差而難以生成燒結(jié)表面;掃描速度較高時(shí),液相存在時(shí)間較短,同樣會(huì)導(dǎo)致流動(dòng)性差而引起燒結(jié)體分層和球化,此外粉體吸收的能量也變少,熔池冷卻速率加快,導(dǎo)致燒結(jié)表面質(zhì)量較差;當(dāng)掃描間距較大時(shí),粉體不能充分熔化,相鄰燒結(jié)軌道不能完全黏接在一起,導(dǎo)致下一層鋪粉不均勻.因此,在能量輸入密度為１．８９J??mm－２下的成形試樣的性能較差,其抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度分別為５４２,２７７MPa,伸長(zhǎng)率為４６．８％,相對(duì)密度為９５．５６％.

當(dāng)激光功率增大、掃描速度相應(yīng)減小,即能量輸入密度增大時(shí),粉床溫度升高,使大量粉體熔化形成適量的液相,并降低了熔體的黏度和表面張力,粉體流動(dòng)性增強(qiáng),熔池連續(xù)形成,從而使得試樣的相對(duì)密度和力學(xué)性能提高[８Ｇ１０].因此,當(dāng)能量輸入密度增至２．４８J??mm－２時(shí),試樣的相對(duì)密度和拉伸性能均較佳,其抗拉和屈服強(qiáng)度分別為６１３,３２０ MPa,伸長(zhǎng)率為４４．６％,相對(duì)密度為９９．５３％.當(dāng)能量輸入密度過(guò)高,即激光功率較高、掃描速度和掃描間距較小時(shí),液相生成過(guò)多且液相存在時(shí)間過(guò)長(zhǎng),會(huì)引起球化和開(kāi)裂,造成燒結(jié)體收縮變形,并且還會(huì)延長(zhǎng)成形時(shí)間.因此,在能量輸入密度為３．８１J??mm－２時(shí),試樣的相對(duì)密度和拉伸性能較差,其抗拉和屈服強(qiáng)度分別為５５０,２８３ MPa,伸長(zhǎng)率為

４６．１％,相對(duì)密度為９６．６０％.適當(dāng)?shù)哪芰枯斎朊芏饶苁构桃簼?rùn)濕性能達(dá)到最優(yōu),液相中結(jié)構(gòu)顆粒適當(dāng)重排,實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量燒結(jié);當(dāng)采用較低的掃描速度、較小的掃描間距和相對(duì)較高的激光功率進(jìn)行 SLM 成形時(shí),產(chǎn)生的液相較多、燒結(jié)時(shí)間較長(zhǎng),成形試樣的相對(duì)密度較高[１１Ｇ１２];能量輸入密度過(guò)大時(shí),液相存在時(shí)間過(guò)長(zhǎng)會(huì)產(chǎn)生球化抑制燒結(jié),降低成形試樣的相對(duì)密度和力學(xué)性能.

３ 結(jié) 論

(１)成形試樣的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度和相對(duì)密度均隨激光功率或掃描速度的增加先增后降,隨掃描間距的增加而增大;伸長(zhǎng)率隨激光功率的增加先降后增,隨掃描速度的增加而增大,隨掃描間距的增加變化很小.

(２)采用SLM 成形３１６L不銹鋼粉時(shí)的最佳工藝參數(shù)組合為激光功率３１０ W、掃描速度９６０mm??s－１、掃描間距０．１３mm,成形后試樣的相對(duì)密度和抗拉、屈服強(qiáng)度均最大,分別為９９．５３％,６１３ MPa和３２０MPa,伸長(zhǎng)率適中,為４４．６％.

(３)在優(yōu)化工藝參數(shù)(能量輸入密度為２．４８J??mm－２)下,成形試樣的表面光滑連續(xù),比較平整,孔隙較小,拉伸斷口上的韌窩細(xì)小均勻,且球化現(xiàn)象較少;當(dāng)掃 描 速 度 降 至 ８６０ mm??s－１、掃 描 間 距 降至０．１１mm,即能量輸入密度為３．８１J??mm－２時(shí),成形試樣表面的孔隙很多,且孔隙尺寸較大,拉伸斷口上有球化和開(kāi)裂現(xiàn)象;當(dāng)激光功率降至２６０W、掃描速度增至１０６０ mm??s－１,即能量輸入密度為１．８９J??mm－２時(shí),成形試樣表面的孔隙同樣較多,且拉伸斷口上也存在球化現(xiàn)象