選區激光熔化成形316L不銹鋼單層單道工藝研究

閻思錦，盛文斌

（1.山東理工大學 材料科學與工程學院，山東 淄博 255049；2.山東理工大學 分析測試中心，山東 淄博 255049）

0 引言

選區激光熔化（Selective Laser Melting，SLM）由德國Fraunhofer激光技術研究所于二十世紀90年代首次提出，由于其生產的零件具有致密度高、精度好、機械性能優異等特點，因此在航空航天、現代醫療和汽車等領域得到了廣泛應用[1-4]。該技術避免了傳統“減材”加工方式的局限性，成為材料加工和制造行業領域的研究熱點之一，被多個國家列為工業發展戰略中的重點。

選區激光熔化加工過程為復雜動態非平衡過程，其原理是將金屬粉末鋪在基板上，利用激光束按照預先設置掃描路徑和參數將粉末熔化并與基板結合，然后逐層鋪粉、掃描直至零件完成[5-6]。該過程中材料在極短的時間內經歷了熔化和冷卻，因此，易產生球化、裂紋和變形等缺陷，這些缺陷對零件的致密度和力學性能有顯著影響[7-8]。基于以上特點，為改善SLM法制備316L不銹鋼成形件質量，研究打印工藝參數是必要的。

本文通過SLM法制備316L不銹鋼，對不同工藝參數下單層單道熔池幾何尺寸和熔道形貌進行研究，探究激光功率和掃描速度對熔池幾何尺寸的影響規律。

1 實驗

1.1 實驗材料及設備

研究所用原材料為氣霧化法制備的316L不銹鋼粉末，其化學成分列于表1。圖1（a）為粉末顆粒的微觀形貌，顆粒外形球化效果好。利用Malvern Mastersize 3000型粒度分析儀對其粒徑分布情況進行測試，所得曲線如圖1（b）所示，粒徑平均值約為34.72 μm，呈正態分布，滿足實驗需求[9-10]。

圖1 316L不銹鋼粉末形貌及粒徑分布

表1 316L不銹鋼化學成分

1.2 實驗設備及內容

實驗所用SLM成型設備為德國SLM Solutions生產的SLM-125系列金屬選區激光熔化打印機。利用UG三維繪圖軟件構建零件三維模型，導出后進行支撐設計和切片處理，并根據工藝方案設置工藝參數和激光掃描路徑等參數；安裝基板，加裝金屬粉末，對基板進行預熱處理；將二維切片模型數據導入到成形設備中，關閉成形艙并抽真空至低于1PPM，然后充入氬氣進行保護；開始打印直至試樣完成。

將打印熔道的基板從橫截面進行切割，利用600～3000目的砂紙將橫截面研磨后進行電解拋光，15 V電壓拋光15 s。拋光劑采用20% vol高氯酸＋80% vol無水乙醇。最后，利用MA4000金相顯微鏡對熔道表面進行觀察拍照，并測量橫截面熔池的寬度和深度尺寸。

2 實驗方案

實驗采用4個激光功率參數和4個掃描速度參數列于表2，兩兩組合一共打印了16條熔道。

表2 SLM-316L不銹鋼單層單道打印參數

3 分析討論

實驗打印的實物圖如圖2所示。

圖2 典型的失效樹示例

圖2 單層單道掃描熔道

3.1 工藝參數對熔道形貌的影響

實驗所用16組工藝參數均可熔化316L不銹鋼粉末，不同工藝參數條件下熔道表面形貌如圖3（a）～（p）所示。當激光功率為150W時，隨著掃描速度的增大，熔道寬度逐漸變窄，掃描速度增大到1200mm·s-1時，熔道發生“球化”現象；當激光功率為200W時，隨著掃描速度的增大，熔道寬度越來越窄，熔道并沒有出現明顯的缺陷；當激光功率為250 W，掃描速度為600mm·s-1和800mm·s-1時，熔道發生明顯的“球化”現象，當掃描速度增大到1000mm·s-1和1200 mm·s-1時，熔道無明顯缺陷；當激光功率為300W，掃描速度為600mm·s-1時，“球化”現象尤其嚴重，隨著掃描速度增大到1200mm·s-1，“球化”現象得到改善但依然存在。可見，當激光功率較低且掃描速度較大時，粉末吸收的能量不足以實現完全熔化，熔體流動性較差，與基板之間潤濕角增大，出現“球化”現象；當激光功率較高且掃描速度較小時，較大的溫度梯度使熔池內部出現馬拉格尼流快速運動，也易出現“球化”現象。

圖3 SLM單層單道成形熔道形貌

3.2 工藝參數對熔池深度的影響

激光功率和掃描速度對熔池深度的影響，如圖4所示，以不同色塊表征每組工藝參數下的熔池深度，具體數值參照顏色標尺。從圖中可以看出，熔池深度范圍為14～154μm，d和h條件下熔池深度小于30μm，a、b、c、f、g、k、l和p在30～60μm，e、j和o在60～90μm，i為108μm，n為135μm，m為154μm。可見，熔池深度隨激光功率的增大而增大，隨掃描速度的增大而減小。隨著激光功率的提高，或者掃描速度的降低，粉末和基板單位時間內所吸收的能量增多，熔化過程進行的更加充分，因此，熔池深度增加。

圖4 熔池深度與激光功率和掃描速度的關系，顏色標尺代表熔化深度

3.3 工藝參數對熔池寬度的影響

圖5為激光功率和掃描速度對熔池寬度的影響，熔池寬度變化范圍為79～135μm，d條件下熔池寬度為79μm，h為89μm，c和o在90～100μm，g和p在100～110μm，b和f在110～120μm，a、e、j、k、l和n在120～130μm，i和m的熔池寬度大于130μm。綜合比較圖3可知，d、i、j、m、n、o和p熔道均勻性較差，易發生“球化”現象。相比于掃描速度，激光功率變化對熔池寬度的影響并不十分明顯。激光功率一定時，掃描速度越小，熔池寬度越大，因為激光在金屬粉末表面停留時間較長，金屬粉末吸收的能量較多，熔化更充分，因此，熔池寬度增加。

圖5 熔池寬度與激光功率和掃描速度的關系，顏色標尺代表熔池寬度

3.4 工藝參數對熔道高度的影響

激光功率和掃描速度對熔道高度的影響規律如圖6所示。熔道高度變化范圍為0～108μm，d條件的熔道高度為0，c為16μm，b和h在20～30μm，f和g在30～40μm，k和l在40～50μm，a和e在50～60μm，m和n在60～70μm，o為82μm，i和p大于90μm。當激光功率分別為150W、200W和250W時，熔道高度隨掃描速度的增大而減小；當激光功率達到300W時，熔道高度隨掃描速度的增大而增大。金屬粉末吸收能量發生熔化，熔道高度逐漸增大，但當吸收能量過高時，熔池內液體穩定性變差，易發生飛濺現象，從而使其高度變小。結合圖3可知，d條件所測區域恰好位于熔道間斷區域，高度為零；o、i和p所測區域恰好位于發生“球化”現象的金屬球的中上部，其高度值大于80μm。

圖6 熔道高度與激光功率和掃描速度的關系，顏色標尺代表熔道高度

4 結語

合適的激光功率和掃描速度能形成連續、穩定的熔道。熔池深度隨激光功率的增大而增大，隨掃描速度的增大而減小；熔池寬度隨激光功率的變化影響并不明顯，隨掃描速度的增大而減小；當激光功率為150 W、200 W和250 W時，熔道高度隨掃描速度的增大而減小；當激光功率為300 W時，熔道高度隨掃描速度的增大而增大。