摘 要:采用金相檢驗(yàn)、掃描電鏡分析等方法對(duì)激光融化技術(shù)制備的304及316L不銹鋼進(jìn)行分 析。結(jié)果表明:材料的軸向結(jié)構(gòu)在增材制造沉積過(guò)程中會(huì)有不同層間的熱傳遞,其組織的均勻性受 到影響;材料的區(qū)域成分沒(méi)有明顯偏差,不存在成分偏析及次相的析出;熔體的重力作用會(huì)使材料 在縱向存在各向異性。

關(guān)鍵詞:增材制造;不銹鋼;顯微組織;性能

中圖分類(lèi)號(hào):TG115.21 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A 文章編號(hào):1001-4012(2022)06-0046-04

增材制造(3D 打印)技術(shù)屬于快速成型生產(chǎn)技 術(shù),在對(duì)工件進(jìn)行數(shù)字模型構(gòu)建的基礎(chǔ)上,采用3D 打印設(shè)備將樹(shù)脂或塑料進(jìn)行熔融、燒結(jié)等,再通過(guò)逐 層成型來(lái)完成精密成型制造。該技術(shù)具有定制化的 特點(diǎn),廣泛應(yīng)用于航空航天、軍事機(jī)械、人造骨骼、土 木工程模具、飾品生產(chǎn)等領(lǐng)域。其中,選擇性激光融 化技術(shù)(SLM 技術(shù))是利用金屬粉末在高能激光束 熱源的作用下完全熔化,經(jīng)散熱凝固后與基體金屬 冶金焊合,再逐層累積成型的一種金屬3D 打印技 術(shù),目前已成為金屬精密成型領(lǐng)域重要的前沿技術(shù) 之一[1-2]。

304不銹鋼和316L 不銹鋼是低碳奧氏體不銹 鋼,具有較好的力學(xué)加工和耐腐蝕性能,廣泛用于汽 車(chē)配件、醫(yī)療器械、建筑材料等領(lǐng)域。在這些領(lǐng)域 中,隨著工藝化定制需求的日益增長(zhǎng),關(guān)于不銹鋼 3D打印技術(shù)的研究需求也在不斷增加。筆者采用 易博三維 公 司 生 產(chǎn) 的IGAM-I型 金 屬 3D 打 印 設(shè) 備,用SLM 技術(shù)對(duì)304不銹鋼和316L不銹鋼進(jìn)行 快速成型,分析其成型組織的性能特點(diǎn),為優(yōu)化不銹 鋼的SLM 工藝奠定了基礎(chǔ)。

1 試驗(yàn)材料及試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)材料的制備

試驗(yàn)材料為304不銹鋼和316L不銹鋼粉末,粒 徑為15μm~53μm,采用IGAM-I型金屬3D打印設(shè) 備,得到規(guī)格(直徑×長(zhǎng)度)為10mm×15mm 的圓 柱。激光功率為275W,掃描速度為1000mm/s,層 厚為0.05mm,掃描間距為0.08mm。304不銹鋼及316L不銹鋼的化學(xué)成分如表1所示。

1.2 試驗(yàn)方法

將304不銹鋼及316L 不銹鋼材料3D 打印試 樣沿著垂直于打印方向(橫向)及打印方向(縱向)進(jìn) 行切割,用美國(guó)標(biāo)樂(lè)制樣設(shè)備進(jìn)行加工和磨拋后,用 氯化鐵-鹽酸溶液對(duì)試樣進(jìn)行腐蝕。使用蔡司 M2M 型光學(xué)顯微鏡對(duì)試樣進(jìn)行金相檢驗(yàn),用蔡司 EVO MA15型掃描電子顯微鏡對(duì)試樣進(jìn)行分析,同時(shí)利 用布魯克 QUANTTAX400型能譜儀對(duì)試樣微區(qū)進(jìn) 行分析,觀察區(qū)域成分的均勻性。

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 金相檢驗(yàn)結(jié)果

利用光學(xué)顯微鏡觀察經(jīng)過(guò)磨拋的試樣,發(fā)現(xiàn)橫 向試樣上局部存在孔洞和微裂紋,孔洞和微裂紋分 布不均勻。304不銹鋼材料3D 打印試樣的孔洞和 裂紋較多,裂紋多為沿晶裂紋,缺陷沒(méi)有明顯的分布 規(guī)律;316L不銹鋼材料3D 打印試樣的橫截面幾乎 沒(méi)有明顯裂紋,孔洞較少且形狀較為圓潤(rùn),局部位置 有成排分布的趨勢(shì),如圖1所示。

用光學(xué)顯微鏡觀察腐蝕后的不銹鋼材料3D 打 印試樣,304不銹鋼材料3D打印橫向試樣的組織呈 現(xiàn)橫縱交錯(cuò)的編織狀結(jié)構(gòu),局部呈現(xiàn)花紋結(jié)構(gòu),將花 紋結(jié)構(gòu)放大觀察,發(fā)現(xiàn)了更微觀的編織狀結(jié)構(gòu),整個(gè) 截面的編織狀結(jié)構(gòu)不均勻。316L 不 銹 鋼 材 料 3D 打印橫向試樣的組織形態(tài)與304不銹鋼材料3D 打 印橫向試樣的結(jié)構(gòu)相似,但316L不銹鋼材料3D 打 印橫向試樣編織狀結(jié)構(gòu)整體更為均勻,結(jié)構(gòu)更為規(guī) 則,兩種不銹鋼材料3D 打印橫向試樣腐蝕后的微 觀形貌如圖2所示。

用光學(xué)顯微鏡觀察腐蝕后的316L不銹鋼材料 3D打印縱向試樣,其縱向截面的孔洞和裂紋也較 少,組織形態(tài)呈現(xiàn)魚(yú)鱗狀結(jié)構(gòu),“鱗片”生長(zhǎng)方向?yàn)? 3D打印生長(zhǎng)方向的逆方向(見(jiàn)圖3)。

2.2 掃描電子顯微鏡分析結(jié)果

用掃描電子顯微鏡分析304不銹鋼及316L 不 銹鋼材料橫向試樣,發(fā)現(xiàn)兩種材料橫縱交錯(cuò)纖維結(jié) 構(gòu)的微觀形貌相同,都呈現(xiàn)蜂窩狀結(jié)構(gòu)或管型結(jié)構(gòu),表現(xiàn)出各向異性,316L不銹鋼材料3D 打印橫向試 樣腐蝕后的微觀形貌如圖4所示。

采用掃描電子顯微鏡對(duì)304不銹鋼和316L 不 銹鋼兩種材料的3D 打印縱向試樣進(jìn)行分析,發(fā)現(xiàn) 二者放大后的微觀形貌相同,“鱗片”形態(tài)在高倍下 呈現(xiàn)蜂窩狀結(jié)構(gòu),316L不銹鋼材料3D 打印縱向試 樣腐蝕后的微觀形貌如圖5所示。在同一個(gè)微熔池 下可以觀察到多個(gè)晶粒,而在晶粒中可觀察到多個(gè) 存在各向異性的亞晶胞。由于其各向異性,有些亞晶胞在截面上呈現(xiàn)近等軸狀的胞狀結(jié)構(gòu),有些亞晶 胞則呈現(xiàn)類(lèi)豆莢狀的柱狀結(jié)構(gòu)。

利用能譜儀對(duì)316L 不銹鋼材料3D 打印橫向 試樣的微區(qū)進(jìn)行分析,發(fā)現(xiàn)試樣的成分基本均勻,無(wú) 局部元素偏聚及二次相析出,其能譜分析結(jié)果如圖 6所示。

2.3 硬度測(cè)試結(jié)果

用布氏硬度計(jì)對(duì)304不銹鋼和316L 不銹鋼材 料3D打印試樣分別進(jìn)行宏觀硬度測(cè)量,結(jié)果如表2 所示。304不銹鋼材料3D打印試樣比316L不銹鋼 材料3D打印試樣的硬度低,但均在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)。

2.4 力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果

對(duì)316L不銹鋼材料3D 打印試樣和普通316L 不銹鋼試樣分別進(jìn)行拉伸試驗(yàn),結(jié)果如表3所示,由 表3可知,用3D打印技術(shù)制備的316L不銹鋼材料 試樣的力學(xué)性能比普通316L 不銹鋼材料試樣的屈 服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度都大,伸長(zhǎng)率也有所增大。

3 綜合分析

不銹鋼材料3D打印橫向試樣編織狀的層疊形 貌明顯,許多位置的編織狀纖維部分形貌光滑、結(jié)構(gòu) 連貫、形態(tài)均勻。原材料顆粒在逐層快速高溫熔融后的快速冷卻堆積過(guò)程中,后沉積層在高溫沉積時(shí) 放出的熱量傳遞給前沉積層,這種反復(fù)微區(qū)熱處理 必然會(huì)對(duì)前沉積層產(chǎn)生影響,而出現(xiàn)工件不同區(qū)域 的組織不均[3-4]。

縱向試樣上的魚(yú)鱗狀結(jié)構(gòu)特點(diǎn)說(shuō)明大量金屬顆 粒經(jīng)過(guò)激光轟擊熔化后,處在短暫熔融期的金屬小液 滴在重力作用下有向下滴落的運(yùn)動(dòng)趨勢(shì),其迅速凝固 后,保留了這一特點(diǎn),所以每一熔積層結(jié)構(gòu)的下端會(huì) 有近圓形的形貌呈現(xiàn)出來(lái),凝固后的縱向試樣存在明 顯的各向異性,最終形成了類(lèi)似魚(yú)鱗狀的形態(tài)[5-6]。

在相同工藝下,316L不銹鋼材料3D打印試樣明 顯比304不銹鋼材料3D打印試樣的致密性更好,缺 陷和孔洞更少,均勻性更佳,同時(shí)也說(shuō)明316L不銹鋼 材料3D打印試樣不同位置的硬度較為均勻。這是因 為添加的鉬元素使其淬透性更強(qiáng),有利于3D打印過(guò) 程中快速成型,且具有回火穩(wěn)定性,對(duì)于鋼的延展性 和耐磨性具有正向作用[7],可提高鋼的熱強(qiáng)度。最終 成型的316L不銹鋼材料3D打印試樣的綜合性能優(yōu) 于304不銹鋼材料3D打印試樣。

4 結(jié)語(yǔ)

(1)SLM 打印技術(shù)可得到結(jié)構(gòu)致密且均勻、力 學(xué)性能良好的定制化材料,該工藝制得的材料具有 較好的軸向均勻性,同時(shí)存在生長(zhǎng)方向的各向異性。

(2)304不銹鋼和316L不銹鋼在相同的3D 打 印工藝下,316L不銹鋼材料試樣的組織結(jié)構(gòu)更為均 勻,缺陷更少,硬度略高,其綜合性能更優(yōu)。

(3)不同不銹鋼材料需要選取不同的3D 打印 工藝,上述工藝較適合316L不銹鋼材料。

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<文章來(lái)源>材料與測(cè)試網(wǎng)>期刊論文>理化檢驗(yàn)－物理分冊(cè)>58卷>6期(pp:46-49)>