固溶時(shí)效對(duì)SLM成形316L不銹鋼塊體件顯微組織及硬度的影響

朱德榮， 李 豪， 柳 翊， 王利鴿， 陳智勇， 張慧賢， 梁 莉

(1. 洛陽理工學(xué)院 智能制造學(xué)院， 河南 洛陽 471023；2. 洛陽理工學(xué)院 材料科學(xué)與工程學(xué)院， 河南 洛陽 471023；3. 河南省建筑型材智能制造工程技術(shù)研究中心， 河南 洛陽 471023)

316L不銹鋼屬于超低碳奧氏體不銹鋼，由于其具有良好的耐晶間腐蝕性能和優(yōu)良的綜合力學(xué)性能，被廣泛應(yīng)用于航空航天、醫(yī)療器械、石油化工、能源電力等領(lǐng)域[1]。傳統(tǒng)316L不銹鋼零件受到加工工藝的限制，生產(chǎn)制造周期較長(zhǎng)且材料利用率較低。目前，3D打印技術(shù)已成功引入金屬材料研究領(lǐng)域，大大提高了金屬制品設(shè)計(jì)的自由度，并滿足了對(duì)復(fù)雜幾何結(jié)構(gòu)零件的需求。近年來，3D打印技術(shù)日臻成熟，特別是選區(qū)激光熔化技術(shù)(Selective laser melting,SLM)逐步拓展到制造業(yè)，已成為金屬材料3D打印領(lǐng)域的重要制備方法之一[2]。

Tolosa等[3]利用SLM技術(shù)成功打印了奧氏體316L不銹鋼制件，與鍛造或鑄造產(chǎn)品相比，其延展性和沖擊性能及屈服強(qiáng)度都有所提高，然而由于獨(dú)特的成形過程，孔隙率、表面光潔度及獨(dú)特的微觀組織形貌特征對(duì)最終的力學(xué)性能也有一定的影響。Cherry等[4]采用SLM技術(shù)研究了激光能量密度對(duì)316L不銹鋼性能的影響，通過改變點(diǎn)距和曝光時(shí)間能夠影響孔隙率、表面光潔度、密度及硬度、微觀組織，其中表面粗糙度主要受點(diǎn)距的影響，點(diǎn)距越大表面粗糙度越大，硬度值會(huì)隨著孔隙率的降低而增加，最高可達(dá)至225 HV。

雖然SLM成形技術(shù)成功引入金屬制造領(lǐng)域大大提高了設(shè)計(jì)的自由度并滿足了對(duì)復(fù)雜幾何結(jié)構(gòu)零件的需求，是應(yīng)用最廣泛的三維打印技術(shù)之一，但同時(shí)也面臨諸多問題，特別是高冷速誘發(fā)殘余應(yīng)力是面臨的主要問題之一，而熱處理是調(diào)控選區(qū)激光熔化成形件微觀組織和力學(xué)性能以及有效消除殘余應(yīng)力的重要手段[5]。目前，已有文獻(xiàn)對(duì)SLM成形316L不銹鋼熱處理后的顯微組織與性能進(jìn)行探索[6-8]，固溶時(shí)效是傳統(tǒng)316L不銹鋼制件常見的熱處理方法之一，然而固溶時(shí)效對(duì)SLM成形316L不銹鋼顯微組織形貌特征的影響探究不夠深入，特別是固溶時(shí)效后顯微組織演化和相析出及顯微硬度仍需要深入研究，這對(duì)有效調(diào)控選區(qū)激光熔化成形件的顯微組織特征有重要意義。

因此，本文采用選區(qū)激光熔化技術(shù)制備了316L不銹鋼塊體件(15 mm×15 mm×5 mm)，借助光鏡(OM)和掃描電鏡(SEM)與能譜分析(EDS)及維氏硬度測(cè)量，分析不同時(shí)效溫度對(duì)SLM成形316L不銹鋼塊體件顯微組織以及顯微硬度的影響，其研究結(jié)果能為SLM成形316L不銹鋼塊體件固溶時(shí)效顯微組織控制提供參考。

1 試驗(yàn)材料與方法

以316L不銹鋼粉末為原料，平均顆粒尺寸約為38 μm，采用FS121M型選擇性激光熔融(SLM，成形尺寸為120 mm×120 mm×100 mm)成形設(shè)備，制備尺寸為15 mm×15 mm×5 mm的316L不銹鋼塊體件試樣，激光束掃描路徑為橫排往復(fù)掃描，見圖1。SLM成形采用單向送粉方式送粉，具體工藝參數(shù)見表1。圖2為SLM成形設(shè)備原理圖。

圖1 FS121M型選擇性激光熔化(SLM)成形設(shè)備

圖2 SLM成形設(shè)備原理圖

表1 316L不銹鋼塊體件SLM成形工藝參數(shù)

采用光學(xué)顯微鏡(OM)和掃描電鏡(SEM，EVO18，ZEISS)以及EDS對(duì)顯微組織形貌及相成分進(jìn)行分析。在載荷砝碼1 kg和加載時(shí)間15 s條件下，采用顯微維氏硬計(jì)(HV，HVS-1000A)分別對(duì)SLM成形316L不銹鋼塊體件試樣、固溶時(shí)效試樣進(jìn)行維氏硬度的測(cè)量，測(cè)量5次后取平均值。此外，使用Image-pro Plus軟件測(cè)量晶粒尺寸，同一晶粒測(cè)量5次，然后取其平均值。

熱處理試驗(yàn)采用相同的固溶工藝(1100 ℃×8 min，水冷)，不同的時(shí)效工藝(650、850 ℃×6 h，空冷)(650 ℃×6 h 時(shí)效命名為HT1、850 ℃×6 h時(shí)效命名為HT2)，如圖3所示。研究固溶時(shí)效工藝對(duì)SLM成形316L不銹鋼顯微組織以及硬度的影響。

圖3 SLM成形316L不銹鋼塊體件熱處理工藝

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 SLM成形顯微組織

圖4為SLM成形316L不銹鋼塊體件的低倍顯微組織形貌，可以觀察到明顯的“層-層”邊界和“道-道”邊界，存在明顯的層帶結(jié)構(gòu)，呈拋物線狀，相鄰熔池垂直方向?qū)訉盈B加形成較長(zhǎng)的“層-層”邊界，相鄰熔池熔道水平方向道道搭界形成較短的“道-道”邊界。在熔池的凝固過程中形成了“層-層”熔池邊界和“道-道”熔池邊界，同時(shí)道-道熔池邊界搭界處存在一定的夾角。此外，可以觀察到晶粒可以跨越“層-層”邊界呈外延式生長(zhǎng)。

圖4 SLM成形316L不銹鋼塊體件的低倍顯微組織

如圖5所示，層帶結(jié)構(gòu)內(nèi)部能夠明顯觀察到細(xì)長(zhǎng)的柱狀晶且有明顯的取向性，這是由于基底的快速急冷作用，柱狀晶的生長(zhǎng)具有一定的定向性和連續(xù)性，造成已凝固相鄰“層-層”熔池內(nèi)部細(xì)小柱狀晶部分生長(zhǎng)取向一致，細(xì)小柱狀晶在生長(zhǎng)過程中會(huì)跨越“層-層”邊界，該細(xì)小柱狀晶的晶間間距約為0.45 μm。熔化道之間存在明顯搭接，兩側(cè)晶粒取向并不相同，同一熔化道內(nèi)部也存在細(xì)小蜂窩狀晶粒，蜂窩狀晶粒尺寸約為0.75 μm，排布細(xì)化均勻，SLM成形顯微組織主要由細(xì)小柱狀晶和細(xì)小蜂窩狀晶粒組成。這與目前的SLM成形316L不銹鋼凝固顯微組織形貌特征的研究結(jié)果一致[9-12]。

圖5 SLM成形316L不銹鋼塊體件的高倍顯微組織

2.2 固溶時(shí)效顯微組織

圖6為650 ℃時(shí)效后不銹鋼塊體件的光鏡顯微組織(OM)，固溶時(shí)效后“層-層”和“道-道”邊界基本消失，而晶界清晰可見，甚至部分晶粒內(nèi)部存在再結(jié)晶現(xiàn)象，并呈合并生長(zhǎng)方式長(zhǎng)大。

圖6 SLM成形316L不銹鋼塊體件經(jīng)650 ℃時(shí)效后的顯微組織

圖7為650 ℃時(shí)效后試樣的顯微組織，可以觀察到在部分晶界處存在少量的顆粒相，經(jīng)EDS分析可知，該顆粒相C含量明顯偏高(40.56%)，Cr含量偏高(11.48%)，這表明該顆粒相以碳化物的形式存在，即在晶界析出的是碳化物。M23C6是316L不銹鋼中的主要碳化物，其生長(zhǎng)需要基體提供Cr原子及C原子且需要長(zhǎng)距離擴(kuò)散[13-14]。因此，驗(yàn)證了該碳化物為M23C6，其化學(xué)成分見表2。

圖7 SLM成形316L不銹鋼塊體件650 ℃時(shí)效后的SEM照片

表2 650 ℃時(shí)效后SLM成形316L不銹鋼塊體件中碳化物的化學(xué)成分(原子分?jǐn)?shù)，%)

850 ℃時(shí)效后不銹鋼塊體件的光鏡顯微組織如圖8 所示，隨著時(shí)效溫度的升高，試樣的晶粒粗化，部分晶粒內(nèi)部也存在再結(jié)晶現(xiàn)象，并呈合并生長(zhǎng)方式長(zhǎng)大，沿晶界形成了大量不連續(xù)的顆粒相，也有少量分布在晶粒內(nèi)部。

圖8 SLM成形316L不銹鋼塊體件經(jīng)850 ℃時(shí)效后的顯微組織

而850 ℃時(shí)效后的掃描電鏡照片如圖9所示。由圖9可觀察到晶界處存在大量不連續(xù)的顆粒相，經(jīng)EDS分析可知，該顆粒相C含量也明顯偏高(43.12%)，Cr含量偏高(11.04%)，這表明晶界析出的顆粒相為M23C6碳化物，其化學(xué)成分如表3所示。

表3 850 ℃時(shí)效后SLM成形316L不銹鋼塊體件中碳化物的化學(xué)成分(原子分?jǐn)?shù)，%)

圖9 SLM成形316L不銹鋼塊體件經(jīng)850 ℃時(shí)效后的SEM照片

綜合分析圖6～圖9顯微組織特征可知，晶粒內(nèi)部發(fā)生再結(jié)晶，形成奧氏體晶粒。由于晶界是缺陷和錯(cuò)位聚集的區(qū)域，在固溶時(shí)效過程中隨著各元素的擴(kuò)散，C在奧氏體中的溶解度不同，會(huì)使晶界附近的Cr原子和C原子沿晶界擴(kuò)散，最終形成M23C6沉積下來。而且隨著時(shí)效溫度的升高，C在奧氏體中的溶解有限，使更多的M23C6于晶界處析出并長(zhǎng)大，造成M23C6的數(shù)量和尺寸都有所增大[13]。

2.3 顯微硬度分析

熱處理不僅能夠改變SLM成形316L不銹鋼件的顯微組織特征，而且對(duì)其力學(xué)性能也有一定程度的影響[15-17]。圖10為SLM成形和不同時(shí)效溫度下316L不銹鋼的平均維氏硬度，可知SLM成形316L不銹鋼塊體件的顯微硬度相對(duì)較高，可達(dá)212 HV。經(jīng)固溶時(shí)效后顯微硬度有所降低，這是由于固溶時(shí)效誘發(fā)晶粒再結(jié)晶并長(zhǎng)大造成晶粒相對(duì)粗大，同時(shí)已有的細(xì)小柱狀晶和蜂窩狀晶粒消失，最終造成顯微硬度下降。而且隨著時(shí)效溫度的升高，其顯微硬度進(jìn)一步降低，這是因?yàn)殡S著時(shí)效溫度升高，固溶時(shí)效過程中晶粒持續(xù)長(zhǎng)大，同時(shí)在850 ℃時(shí)效后，Cr原子和C原子沿晶界擴(kuò)散并沿晶界析出大量不連續(xù)M23C6，且大部分沿晶界分布，只有少數(shù)分布于晶內(nèi)，造成基體C含量降低，從而引起硬度再次下降。

圖10 SLM成形和不同時(shí)效溫度下316L不銹鋼的平均維氏硬度

3 結(jié)論

1) SLM成形316L不銹鋼塊體件顯微組織主要由細(xì)小柱狀晶和蜂窩狀晶粒組成?！皩?層”和“道-道”熔池邊界清晰可見，晶粒的生長(zhǎng)能夠跨越“層-層”邊界，細(xì)小柱狀晶的晶間間距約為0.45 μm，細(xì)小蜂窩狀晶粒尺寸約為0.75 μm。

2) 經(jīng)固溶時(shí)效后邊界基本消失，而晶界清晰可見，晶粒存在再結(jié)晶現(xiàn)象且呈合并生長(zhǎng)方式長(zhǎng)大，M23C6少量分布于晶界。而且隨著時(shí)效溫度的升高，850 ℃時(shí)效后試樣的晶粒進(jìn)一步長(zhǎng)大，沿晶界形成了大量不連續(xù)M23C6，其數(shù)量和尺寸都有所增大。

3) SLM試樣的平均顯微硬度為212 HV且高于固溶時(shí)效試樣，這是由于SLM成形過程中快速凝固冷卻快，存在細(xì)小柱狀晶和蜂窩狀晶粒所致。固溶時(shí)效后顯微硬度值有所降低，但650 ℃時(shí)效后試樣顯微硬度明顯高于850 ℃時(shí)效后試樣。因?yàn)樵嚇?50 ℃時(shí)效后，晶粒存在再結(jié)晶，且比850 ℃時(shí)效后晶粒細(xì)小，M23C6少量分布于晶界，基體C含量較高，從而使得顯微硬度相對(duì)較高。