激光選區熔化成形316L不銹鋼組織和力學性能分析

程靈鈺,何召輝,孫 靖,文珊珊,劉正武,朱小剛,李 鵬

(1.上海航天設備制造總廠有限公司,上海 200245；2.上海復雜金屬構件增材制造工程技術研究中心,上海 200245；3.上海交通大學材料科學與工程學院,上海 200240)

1 引 言

激光選區熔化(Selective laser melting,SLM)技術是基于離散-堆積原理,應用計算機及高精度光學系統,控制高能激光束逐層熔化微細金屬粉末,通過層層冶金結合,直接成形高性能金屬零件[1-2]。該技術激光光斑微細,分層厚度小,在成形微細復雜結構方面具有顯著優勢[3]。該技術無需模具,可直接制造任意復雜的零件,能夠有效縮短零件的研制周期[4],節省成本,特別適合品種多,批量小,結構復雜的航天產品的生產制造。

316L不銹鋼是一種超低碳不銹鋼,具有優異的耐海水腐蝕、耐晶間腐蝕、耐酸性能,同時韌性極好,耐高溫性能良好。316L不銹鋼因此被廣泛用于石油、化工、輕工業、醫療等行業。由于316L不銹鋼激光選區熔化成形性好,因此國內外眾多學者對316L不銹鋼激光選區熔化成形開展了相關研究。孫健峰[5]等人采用激光選區熔化成形工藝制備了316L不銹鋼多孔過濾零件,發現可制備的1 mm的微孔尺寸的過濾零件,零件內部組織主要由不規則形狀和條形組成。Ma M[6]等人比較了激光選區熔化成形及激光熔覆沉積兩種工藝對316L不銹鋼冶金行為的影響。Spierings.A.B[7]團隊及Riemer.A.[8]團隊研究了316L不銹鋼激光選區熔化成形試樣的疲勞性能。趙曙明[9]等人采用水霧化粉末進行激光選區熔化成形研究,發現單層表面粗糙度Ra隨著能量密度的增大而呈減小趨勢,通過優化工藝參數,得到的316L不銹鋼試樣拉伸性能優于鑄件。Cherry.J.A[10]等人研究了工藝參數對激光選區熔化成形316L不銹鋼的微觀組織及性能的影響,發現較差的表面光潔度及孔洞是影響其顯微硬度的主要原因。張飛飛[11]等研究了激光選區熔化成形不同層厚下316L不銹鋼的拉伸性能,發現50 μm層厚下拉伸強度較高。尹燕[12]等研究了激光選區熔化成形316L不銹鋼的微觀組織及拉伸性能,發現試樣的抗拉強度與傳統工藝相比有較大提高,但延伸率下降。梁慶杰[13]研究了工藝參數對選區激光熔化成形316L不銹鋼的影響,發現掃描速度對致密度及拉伸性能影響最大,優化后的參數下,抗拉強度達到了622 MPa,斷后延伸率達到了7.17 %。

目前,針對激光選區熔化成形316L不銹鋼性能的研究主要集中于拉伸性能,對其他性能研究較少,因此需進一步探索。本文對SLM成形316L不銹鋼試樣的組織和拉伸、布氏硬度、夏比缺口沖擊功、彎曲性能進行了綜合分析,以期為采用激光選區熔化技術制造零件提供基礎數據和研究思路。

2 實 驗

2.1 材 料

采用氣霧化316L不銹鋼粉末,粉末形貌如圖1所示,粉末呈球形,平均粒徑28 μm。粉末主要成分見表1。

圖1 316L不銹鋼粉末形貌

表1 316L不銹鋼粉末化學成分(wt %)

2.2 設備及工藝

采用上海航天設備制造總廠有限公司研制的Kre-AM 280型SLM設備。該設備采用500 W光纖激光器,波長(1080±5)nm,光斑直徑50～80 μm,掃描速度10～1000 mm/s,最小加工層厚可控制在0.02 mm。成形過程中采用含量為99.999 %的高純氬氣保護。激光選區熔化成形工藝參數為:激光功率200 W,掃描速度500 mm/s,單層厚度30 μm,掃描間距150 μm,掃描方式為分塊旋轉掃描,分塊寬度10 mm,相鄰層旋轉67°。成形316L不銹鋼試樣為20 mm×20 mm×10 mm的正方體、10 mm×10 mm×80 mm 的長方體、11 mm×11 mm×60 mm 的長方體,分別制備XY及Z向試樣。試樣的取樣方向如圖2所示,XY向為掃描平面方向,Z向為層層疊加成形方向。

試樣經研磨、拋光后,試樣采用王水(HNO3∶HCl=1∶3)腐蝕50s,獲得金相試樣。利用蔡司Ario observer光學顯微鏡觀察試樣的的微觀組織,FEI Nova NanoSEM450 型掃描電子顯微鏡觀察試樣的顯微組織及拉伸斷口形貌。采用XHB-3000 型硬度計測試試樣的硬度,每個試樣測試5個數據,取其平均值。按照國家標準GB/T 228.1-2010,將試樣加工成80 mm×10 mm×10 mm 的啞鈴狀片狀拉伸試樣,利用CMT-5305型電子萬能試驗機測試試樣的室溫拉伸性能,每組試樣包含5根樣品。沖擊試樣采用10 mm×10 mm×55 mm 的夏比V型缺口試樣,根據《GB /T229-2007 金屬材料夏比擺錘沖擊試驗方法》在JB-30A 沖擊試驗機上進行常溫沖擊試驗。按照國標GB/T 232-2010對試樣進行彎曲測試。

圖2 試樣取樣方向示意圖

3 結果與討論

3.1 316L不銹鋼的微觀組織

圖3為激光選區熔化成形316L不銹鋼的XOY方向顯微組織。由圖3(a)可見出,相鄰熔覆道之間的搭接良好。從圖3(b)可見組織主要由胞狀晶和呈外延生長的柱狀晶組成,柱狀晶的取向各不相同。由于熔池邊界處粉末未熔化區域溫度較低,因此一部分晶粒沿著熔池邊界外延生長,同時在SLM過程中,熔池內部經歷快速冷卻,表面張力形成梯度,熔池內部存在“馬戈紊流”,熔池內發生對流[14],導致熔池內部散熱方向發生改變,因此,造成晶粒顯示出不同的生長方向(見圖3(b))。胞狀晶呈正六邊形,為柱狀晶的截面,柱狀晶晶粒十分細小,直徑分布在0.4～0.7 μm(見圖3(c))。

圖3 316L不銹鋼XY向微觀組織

圖4為激光選區熔化成形316L不銹鋼的Z方向顯微組織。從圖4(a)中可以看出層與層之間的熔合線,層與層之間連接致密,可見明顯魚鱗紋狀的熔池截面。由圖4(b)可以看出,在熔合線附近,存在明顯的外延生長特性。激光選區熔化成形過程中,熔池的上方是激光束和氣體,下方是前一凝固層,熱量向下傳遞較快,因此熔池從固相基底開始向液相熔池凝固,越靠近前一凝固層的位置,溫度梯度越大,而晶粒總是朝著散熱方向最快的方向發展,從而使激光選區熔化成形的柱狀晶沿著熔合線開始外延生長[15]。同時在熔合線附近,前一凝固層受熱發生局部重熔,導致晶粒一定程度的長大,晶粒尺寸大于熔池中心處。

圖4 316L不銹鋼Z向微觀組織

3.2 激光選區熔化成形316L不銹鋼的力學性能

激光選區熔化成形316L不銹鋼的室溫拉伸性能如圖5所示,XY方向抗拉強度分布在692～703 MPa,屈服強度分布在603～609 MPa,延伸率分布在18.5%～21 %。Z方向的拉伸性能分布在511～531 MPa,屈服強度分布在499.5～466 MPa,延伸率分布在7.0～9.5 %。與XY方向相比,抗拉強度下降了25 %,屈服強度下降了24.5 %,延伸率下降了60 %。與GB/T1220-2008中規定的棒材抗拉強度480 MPa,屈服強度177 MPa,延伸率40 %相比,抗拉強度及屈服強度明顯提升,其中屈服強度的升高尤其顯著,但是延伸率偏低,這與文獻[12]、[16]得到的結果一致。在層層疊加方向,單層掃描間隔時間相對于相鄰道道掃描間隔時間要長得多,因此在層層搭接方向冷卻時間較長,溫度梯度較大,造成內應力較大,造成Z向的強度及延伸率相比XY向有一定的下降。激光選區熔化成形過程熔池局部加熱,瞬時熔化,快速冷卻,整個過程一般只有幾毫秒的時間,熔池冷卻速度很快,導致晶粒十分細小,且排布致密,因此與傳統方法成形材料相比強度提高明顯。但是由于激光選區熔化形成的熔池尺寸小,局部快速熔化及冷卻,形成了非平衡的微觀組織結構,零件內部不同部位收縮及膨脹變形趨勢不一致,零件內部殘余應力不可避免,進而導致塑性偏低。從圖3(b)可知,細小柱狀晶生長方向各異,在拉伸過程中,塑性變形方向不一致,互相牽制,也會導致塑性下降。另一方面,除了晶界外,激光選區熔化成形過程還存在大量道道搭接,層層疊加熔合界面,界面處的變形阻力使材料拉伸強度升高,延伸率下降[12]。

圖5 316L不銹鋼室溫拉伸性能

不同成形方向的激光選區熔化成形316L不銹鋼的拉伸斷口如圖6所示。圖6(a)中可以看出,XY方向拉伸斷口較平整,側面中間存在明顯的收縮頸,中間和邊緣的收縮比達到了76.3 %。圖6(b)中可以看出,與XY方向相比,Z方向斷口存在較多的孔洞及未熔化顆粒,這與Z方向延伸率較低相吻合。圖6(c)、6(d)可以看到明顯的韌窩,顯示為韌性斷裂。比較圖6(e)、6(f)可以看XY向韌窩直徑及深度明顯大于Z方向韌窩尺寸。韌窩直徑及深度越大,表明韌性越好,延伸率越高,這也佐證了XY方向延伸率比Z方向要好。

圖6 不同倍率的拉伸試樣斷口形貌

激光選區熔化成形316L不銹鋼的布氏硬度如圖7示,每個方向成形3個試樣。由圖7可以看出,XY方向的試樣與Z方向的試樣布氏硬度相差不大,平均硬度分別為188.7 HB和189 HB,與固溶態不銹鋼棒材硬度相當。

圖7 316L不銹鋼布氏硬度

激光選區熔化成形316L不銹鋼的沖擊功如圖8示,XY方向及Z向各成形3個試樣,由圖中可以看出,XY方向的試樣與Z方向的試樣沖擊功相差不大,XY方向略高于Z向,平均沖擊功分別為74.5 J和70.0 J,高于文獻[16](平均沖擊功56.8 J)報道的測試結果及文獻[9]測試的7.294 J。XY方向的沖擊功略高于Z方向的沖擊功,這與激光選區熔化316L不銹鋼XY向韌性優于Z向韌性是一致的。

圖8 316L不銹鋼沖擊吸收功

對激光選區熔化成形316L不銹鋼試樣進行三點彎曲試驗發現,彎曲至122°時,XY向及Z向試樣在彎曲失效位置均萌生了微小裂紋,最長為1.5mm(圖9)。

圖9 316L不銹鋼彎曲測試后試樣

4 結 論

(1)激光選區熔化成形的316L不銹鋼的顯微組織主要由直徑約為0.4～0.5 μm的細小胞狀晶及呈外延生長的柱狀晶組成。由于馬戈紊流的影響,晶粒的生長顯示出不同的生長方向,相鄰熔池熔合線附近晶粒尺寸大于熔池中心處。

(2)激光選區熔化成形的316L不銹鋼的拉伸性能存在各向異性,XY向均高于Z向。XY向及Z向的抗拉強度和屈服強度與傳統方法制造的固溶處理后的同質材料相比優勢明顯,但塑性明顯下降,拉伸斷裂方式為韌性斷裂。

(3)激光選區熔化成形的316L不銹鋼試樣在XY向和Z向的布氏硬度均達到了188 HB,與固溶強化處理后的不銹鋼棒材相當；沖擊功均達到了70 J,XY向略高于Z向,與XY向韌性優于Z向相對應；三點彎曲至122°時萌生微小裂紋。