刘 艳１,李宗义１,２,张晓刚１,张 昊２
(１．兰州理工大学机电工程学院,兰州 ７３００５０;２．甘肃机电职业技术学院,天水 ７４１００１)
摘 要:对３１６L不锈钢粉进行选择性激光熔化成形,利用正交试验方法分析激光功率、扫描速度和扫描间距对成形试样相对密度、拉伸性能和微观形貌的影响,得到了最佳工艺参数.结果表明:成形试样的抗拉强度、屈服强度和相对密度均随激光功率或扫描速度的增加先增后降,随扫描间距的增加而增大;伸长率随激光功率的增加先降后增,随扫描速度的增加而增大,随扫描间距的增加变化很小;最佳工艺参数组合为激光功率３１０W,扫描速度９６０mm??s－１,扫描间距０．１３mm;在最佳工艺下成形后试样的相对密度、抗拉强度和屈服强度均最大,分别为９９．５３％,６１３MPa和３２０MPa,伸长率为４４．６％,成形试样的表面平整,孔隙较小,拉伸断口上的韧窝细小均匀,且球化现象较少.
关键词:３１６L不锈钢粉;选择性激光熔化;拉伸性能;相对密度;正交试验
中图分类号:TG１４２．１ 文献标志码:A 文章编号:１０００Ｇ３７３８(２０１８)０５Ｇ００４０Ｇ０５
０ 引 言
选择性激光熔化是２０世纪９０年代发展起来的一种新技术,该技术可实现金属粉体的直接成形,具有良好的发展前景.选择性激光熔化成形工艺的加工过程[１Ｇ２]为:使用三维软件设计零件的三维模型,在分层软件中对该模型进行切片处理,将生成的信息导入到工作台中;根据切片处理生成的信息,使用激光对粉体进行选区扫描,粉体吸收激光能量而熔化,快速黏接在一起,以此逐层堆积,直至成形出零件.３１６L不锈 钢 粉 中 含 有 一 定 量 的 镍 (Ni)和 铬(Cr),成形后具有较好的塑性和耐磨性,且可在苛刻工况下使用;３１６L 不锈钢的应用范围广泛,且价格合理,未来发展前景良好;但采用传统工艺进行加工成形时,其工艺要求很高,若零件结构较复杂,则加工工序繁琐、生产周期长、成本高.近年来,选 择 性 激 光 熔 化 (SLM)技 术 发 展 较快,国外的相关研究较多.BALC等[３]使用SLM 技术对大型零件进行修复;PAUL 等[４]研究了激光快
速成形工艺对Inconel６２５不锈钢力学性能的影响;KEMPEN 等[５]探讨了 SLM 工艺对１８NiＧ３００钢力学性能的影响;YASA 等[６]研究了激光重熔对SLM成形３１６L 不 锈 钢 显 微 组 织 的 影 响.而 国 内 有 关SLM 工艺的研究大多为基础研究,研究内容多集中在激光设备的内部结构组成、应用领域、成形材料制备及性能研究等方面,而对成形过程中工艺参数控制的研究较少.因此,作者以３１６L 不锈钢粉为原料进行SLM 成形,研究了激光功率、扫描速度、扫描间距等参数对成形试样相对密度和力学性能的影响,得到了优化工艺参数.
１ 试样制备与试验方法
１．１ 试样制备
试验原料为气雾化法制备的 ３１６L 不锈钢粉,化学成分见表１,显微组织及粒径分布见图１.由图１可以看出,粉体颗粒基本呈球形,其大小不一,平均粒径为４６．３７μm.
试验设备为 BLTS３００型金属打印机,用刮刀将３１６L 不锈钢粉均匀地铺在基板上,使用波长为１０６４nm 光纤激光器对不锈钢粉进行 SLM 成形,通过逐层铺粉、逐层扫描的方式直接成形出试样,铺粉厚度为０．０４ mm,扫描方式选用 ZigZag,扫描完一层后,旋转９０°扫描.SLM 直接成形的拉伸试样尺寸如图２所示,密度测试试样的尺寸为５ mm×５mm×５mm.
SLM 过程中影响成形件力学性能的参数有很多,如激光功率、扫描速度、扫描间距、铺粉厚度、扫描方式以及旋转角度等[７Ｇ８].作者在单因素试验的基础上,选择激光功率(A)、扫描速度(B)和扫描间距(C)作为影响因素,并确定了三个水平,选用 L９(３４)表进行正交试验,因素水平如表２所示.
１．２ 试验方法
密度测试试样经超声波清洗、酒精冲洗后,用JSMＧ５６００LV 型低真空扫描电子显微镜观察微观形貌.采用阿基米德法测试试样的密度,测试天平的精度为０．００１g.相对密度的计算公式为
式中:ρ相 为相对密度;ρ为实测密度;ρ标 为３１６L不锈钢粉的理论密度,�。罚梗砱??cm－３.
采用 WDWＧ１E型微机控制电子式万能试验机进行拉伸试验,拉伸速度为１mm??min－１,用JSMＧ５６００LV 型低真空 扫 描 电 子 显 微 镜 观 察 拉 伸 断 口形貌.
２ 试验结果与讨论
２．１ 工艺参数优化
由表３可以看出:试样的抗拉强度、屈服强度和相对密度均随激光功率或扫描速度的增加先增后降,随扫描间距的增加而增大,各因素对这３个指标的影响由大到小排序均为扫描速度、激光功率、扫描间距,优化参数组合为 A２B２C３,即激光功率３１０W、扫描速度９６０mm??s－１、扫描间距０．１３mm;伸长率随激光功率的增加先降后增,随扫描速度的增加而增大,随扫描间距的增加变化很小,其优化参数组合为A３B３C３,即激光功率３６０ W、扫描 速 度 １０６０mm??
s－１、扫描间距０．１３mm.综合考虑各项指标后,确定试验的最佳参数组合为激光功率３１０W、扫描速度９６０mm??s－１、扫描间距０．１３mm.在该工艺参数下对３１６L 不锈钢粉进行SLM 成形,测得其成形试样的抗拉强度为６１３MPa,屈服强度为３２０MPa,伸长率为４４．６％,相对密度为
９９．５３％.与其他９组试验结果相比,该组参数 SLM成形试样的抗拉强度、屈服强度和相对密度最大,伸长率虽较低,但与最大值相差很小.因此,试验得到的最佳工艺参数合理.
２．２ 微观组织与断口形貌
能量输入密度φ 的物理意义是单位扫描面积所得到的能量,其计算公式为φ＝P/(vs) (２)式中:P 为激光功率;v 为扫描速度;s为扫描间距.由式(２)可见,φ 为激光功率、扫描速度和扫描间距的函数,可以作为综合评估这３个因素对成形试样性能影响的参数.
由图３可见:随着能量输入密度的增加,成形试样的相对密度、抗拉强度和屈服强度均先增后降,伸长率则先降后增;当能量输入密度为２．４８J??mm－２时,试样的相对密度、抗拉强度和屈服强度均最大,但伸长率相对较低.
选择在３组工艺参数下成形的试样进行对比:
(１)激光功率３１０ W、扫描速度９６０mm??s－１和扫描间距０．１３ mm,即能量输入密度为２．４８J??mm－２;
(２)激光功率３６０ W、扫描速度８６０mm??s－１和扫描间距０．１１ mm,即能量输入密度为３．８１J??mm－２;
(３)激光功率２６０ W、扫描速度１０６０mm??s－１和扫描间距０．１３mm,即能量输入密度为１．８９J??mm－２.
由图４和图５可知:当能量输入密度为２．４８J??mm－２时,成形试样的表面光滑连续,比较平整,孔隙较小,拉伸断口上的韧窝细小均匀,且球化现象较少;当能量输入密度为３．８１J??mm－２时,成形试样表
面的孔隙很多,且孔隙尺寸较大,拉伸断口上有球化和开裂现象;当能量输入密度为１．８９J??mm－２,成形试样表面的孔隙同样较多,且拉伸断口上也存在球化现象.
综上所述:当激光功率较低时,液相生成不充分,导致粉体流动性差而难以生成烧结表面;扫描速度较高时,液相存在时间较短,同样会导致流动性差而引起烧结体分层和球化,此外粉体吸收的能量也变少,熔池冷却速率加快,导致烧结表面质量较差;当扫描间距较大时,粉体不能充分熔化,相邻烧结轨道不能完全黏接在一起,导致下一层铺粉不均匀.因此,在能量输入密度为１．８９J??mm－２下的成形试样的性能较差,其抗拉强度和屈服强度分别为５４２,２７７MPa,伸长率为４６．８％,相对密度为９５．５６％.
当激光功率增大、扫描速度相应减小,即能量输入密度增大时,粉床温度升高,使大量粉体熔化形成适量的液相,并降低了熔体的黏度和表面张力,粉体流动性增强,熔池连续形成,从而使得试样的相对密度和力学性能提高[８Ｇ１０].因此,当能量输入密度增至２．４８J??mm－２时,试样的相对密度和拉伸性能均较佳,其抗拉和屈服强度分别为６１３,３２０ MPa,伸长率为４４．６％,相对密度为９９．５３％.当能量输入密度过高,即激光功率较高、扫描速度和扫描间距较小时,液相生成过多且液相存在时间过长,会引起球化和开裂,造成烧结体收缩变形,并且还会延长成形时间.因此,在能量输入密度为３．８１J??mm－２时,试样的相对密度和拉伸性能较差,其抗拉和屈服强度分别为５５０,２８３ MPa,伸长率为
４６．１％,相对密度为９６．６０％.适当的能量输入密度能使固液润湿性能达到最优,液相中结构颗粒适当重排,实现高质量烧结;当采用较低的扫描速度、较小的扫描间距和相对较高的激光功率进行 SLM 成形时,产生的液相较多、烧结时间较长,成形试样的相对密度较高[１１Ｇ１２];能量输入密度过大时,液相存在时间过长会产生球化抑制烧结,降低成形试样的相对密度和力学性能.
３ 结 论
(１)成形试样的抗拉强度、屈服强度和相对密度均随激光功率或扫描速度的增加先增后降,随扫描间距的增加而增大;伸长率随激光功率的增加先降后增,随扫描速度的增加而增大,随扫描间距的增加变化很小.
(２)采用SLM 成形３１６L不锈钢粉时的最佳工艺参数组合为激光功率３１０ W、扫描速度９６０mm??s－１、扫描间距０．１３mm,成形后试样的相对密度和抗拉、屈服强度均最大,分别为９９．５３％,６１３ MPa和３２０MPa,伸长率适中,为４４．６％.
(３)在优化工艺参数(能量输入密度为２．４８J??mm－２)下,成形试样的表面光滑连续,比较平整,孔隙较小,拉伸断口上的韧窝细小均匀,且球化现象较少;当扫 描 速 度 降 至 ８６０ mm??s－１、扫 描 间 距 降至０．１１mm,即能量输入密度为３．８１J??mm－２时,成形试样表面的孔隙很多,且孔隙尺寸较大,拉伸断口上有球化和开裂现象;当激光功率降至２６０W、扫描速度增至１０６０ mm??s－１,即能量输入密度为１．８９J??mm－２时,成形试样表面的孔隙同样较多,且拉伸断口上也存在球化现象