激光選區(qū)熔化成形工藝對(duì)304L不銹鋼沖擊韌性的影響

李艷麗，吳代建，陳誠(chéng)，門正興,4，張宏

增材制造

激光選區(qū)熔化成形工藝對(duì)304L不銹鋼沖擊韌性的影響

李艷麗1,4，吳代建1，陳誠(chéng)2，門正興2,4，張宏3,4

（1.四川工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院 材料工程系，四川 德陽(yáng) 618000；2.成都航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院 航空裝備制造產(chǎn)業(yè)學(xué)院，成都 610021；3.四川大學(xué) a.建筑與環(huán)境學(xué)院 b.破壞力學(xué)與工程防災(zāi)減災(zāi)四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都 610065；4.大型鑄鍛件先進(jìn)制造技術(shù)與裝備國(guó)家工程研究中心，成都 610021）

了解激光選區(qū)熔化（SLM）成形工藝參數(shù)對(duì)304L不銹鋼沖擊韌性的影響，從而得到304L不銹鋼的最佳成形工藝參數(shù)。對(duì)激光功率300～340 W，激光掃描速度800～1 500 mm·s?1條件下的激光選區(qū)熔化成形304L不銹鋼開(kāi)展沖擊試驗(yàn)，通過(guò)表面硬度、微觀組織及斷口形貌觀察對(duì)沖擊韌性的影響規(guī)律進(jìn)行分析。SLM成形304L不銹鋼微觀組織為跨越熔池生長(zhǎng)形成的不規(guī)則柱狀晶粒，成形工藝參數(shù)對(duì)試樣表面硬度影響不顯著；隨著激光功率的增大和激光掃描速度的降低，304L不銹鋼斷面致密程度提高，孔洞類缺陷尺寸減少且數(shù)量減少，沖擊韌性增大，沖擊功最大值為141.9 J。基于沖擊試驗(yàn)結(jié)果，在激光體能量密度為100～140 J/mm3的條件下，304L沖擊韌性穩(wěn)定在138 J左右，為SLM成形304L材料的最佳成形參數(shù)區(qū)間。

激光選區(qū)熔化；304L；沖擊韌性；工藝參數(shù)

304L為典型鉻鎳奧氏體不銹鋼，具有良好的綜合力學(xué)性能且冷熱加工性能優(yōu)異，同時(shí)具有耐高溫、耐腐蝕、核穩(wěn)定性等多種優(yōu)點(diǎn)，在食品醫(yī)療、石油化工、核能電力等工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用廣泛[1]。304L奧氏體不銹鋼關(guān)鍵零部件目前主要采用鍛造工藝+數(shù)控精加工成形，通過(guò)多道次高溫變形消除鍛件內(nèi)部鑄態(tài)組織、減少內(nèi)部缺陷及細(xì)化晶粒，成形缺點(diǎn)是鍛造工藝復(fù)雜、成形周期長(zhǎng)。以激光選區(qū)熔化（Selective Laser Melting，SLM）成形為代表的金屬材料直接增材制造技術(shù)快速發(fā)展，其通過(guò)逐層燒結(jié)凝固的方式被用于制備各種復(fù)雜零件，基本無(wú)需后續(xù)處理[2-7]，因而采用SLM技術(shù)制備304L不銹鋼不僅能夠節(jié)約開(kāi)模和后期加工成本，還能有效節(jié)約小批量關(guān)鍵零件制備的時(shí)間成本。相對(duì)于316L不銹鋼[8-12]，采用SLM成形技術(shù)制備304L不銹鋼的研究較少[13]，主要集中在產(chǎn)品試制、微觀組織研究、掃描策略以及熱處理等方面，如上海電氣電站設(shè)備有限公司汽輪機(jī)廠[14]采用SLM方法制備了136支304L不銹鋼空心靜葉片，各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)均滿足相關(guān)技術(shù)要求，已成功應(yīng)用于垃圾焚燒發(fā)電機(jī)組。趙建光等[15]開(kāi)展了激光直接沉積、傳統(tǒng)軋制與激光選區(qū)熔化三者復(fù)合制造304L零部件的工藝研究，結(jié)果顯示，零件的連接部位熔合良好，沒(méi)有影響接頭性能的裂紋或沉淀析出物，并且零件表面符合無(wú)損檢測(cè)驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)，驗(yàn)證了其復(fù)合制造的可行性。陳偉等[16]研究了SLM成形的304L不銹鋼的微觀組織結(jié)構(gòu)，認(rèn)為組織結(jié)構(gòu)細(xì)小、高密度位錯(cuò)、δ鐵素體與σ相析出物、大量納米級(jí)胞狀亞晶結(jié)構(gòu)是SLM成形304L不銹鋼強(qiáng)度和塑性遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)304L不銹鋼的主要原因。佟鑫等[17]研究了不同構(gòu)建方向?qū)LM成形304L不銹鋼力學(xué)性能的影響，結(jié)果表明，成形試樣組織中無(wú)明顯孔洞和夾雜缺陷，并且當(dāng)試樣與基板間的角度為0°時(shí)，試樣抗拉強(qiáng)度達(dá)到最大值；當(dāng)試樣同基板間角度為30°時(shí)，試樣塑性和沖擊韌性最好。肖飛[18]研究了切片厚度、相位角、搭接率、激光功率、掃描速度等SLM工藝參數(shù)對(duì)304L力學(xué)性能的影響規(guī)律。李瑩等[19]開(kāi)展了SLM 成形304L和TM（軋制工藝）304L不銹鋼Xe離子輻照對(duì)比研究，發(fā)現(xiàn)輻射后SLM成形304L不銹鋼表層位錯(cuò)環(huán)和表層硬化程度均低于TM 304L不銹鋼，但Xe泡的平均尺寸和數(shù)密度均高于TM 304L不銹鋼。Amine等[20]研究了SLM工藝制備的304L不銹鋼的高溫組織穩(wěn)定性和高溫性能，結(jié)果表明，試樣經(jīng)過(guò)25 h、400 ℃的老化過(guò)程，其微觀結(jié)構(gòu)發(fā)生了顯著變化，說(shuō)明所制備的試樣對(duì)400 ℃熱處理?xiàng)l件具有更快的動(dòng)力學(xué)響應(yīng)。對(duì)于通過(guò)鑄造、鍛造、焊接等傳統(tǒng)成形工藝制備的零件，沖擊韌性是評(píng)估其力學(xué)性能的重要指標(biāo)之一，然而對(duì)于SLM成形304L不銹鋼，針對(duì)其沖擊韌性的相關(guān)研究還較少[21]，雖然其試驗(yàn)過(guò)程相對(duì)簡(jiǎn)單，然而斷后組織分析以及斷裂形式分析對(duì)確定金屬材料激光選區(qū)熔化成形工藝優(yōu)化具有重要意義。文中通過(guò)對(duì)不同激光功率和激光掃描速度下的SLM成形304L不銹鋼進(jìn)行沖擊試驗(yàn)，確定304L不銹鋼最佳成形過(guò)程參數(shù)以及工藝參數(shù)對(duì)304L不銹鋼沖擊韌性的影響規(guī)律，為利用SLM方法成形304L不銹鋼的大規(guī)模應(yīng)用提供可靠的數(shù)據(jù)支撐和理論基礎(chǔ)。

1 試驗(yàn)材料及方法

試驗(yàn)選用粒徑分布為15～53 μm、松裝密度為4.10 g/cm3、流動(dòng)性為18 s/50 g、D50粒度分布為34.64%的304L不銹鋼真空氣霧粉（見(jiàn)圖1），化學(xué)成分如表1所示。激光選區(qū)熔化成形設(shè)備為DMP Flex 350設(shè)備配備500 W光纖激光器，設(shè)備最大成形尺寸為275 mm×275 mm×380 mm，成形空間抽真空后通入高純氬氣，氧氣含量≤10 mg/L。制備過(guò)程中采用條狀掃描，激光功率300～340 W，掃描速度800～ 1 500 mm?s?1，成形厚度0.03 mm，掃描間距0.01 mm。

圖1 304L粉末的SEM形貌

如圖2a所示，U型缺口標(biāo)準(zhǔn)沖擊試樣根據(jù)《沖擊試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)》（GB /T 229—1984）中金屬夏比（U型缺口）沖擊試驗(yàn)方法成形，U型缺口位于零件上表面（見(jiàn)圖2b），與激光掃描方向垂直。不同激光功率及激光掃描速度下的304L沖擊試樣一次成形（見(jiàn)圖2c），成形后沖擊試樣采用線切割與基板分離（見(jiàn)圖2d）。沖擊試樣后續(xù)不進(jìn)行二次加工，采用德國(guó)ZWICK RKP450沖擊試驗(yàn)機(jī)測(cè)得試樣沖擊吸收能量及沖擊韌性（見(jiàn)圖2e），采用Qness 3000 CS EVO型硬度檢測(cè)設(shè)備來(lái)測(cè)試SLM成形的304L沖擊試樣的硬度。沖擊試驗(yàn)后在斷裂的試樣上切取金相試樣，經(jīng)過(guò)10%草酸電解腐蝕（10 g草酸+100 mL水，電壓6 V，時(shí)間60～90 s）后在Axio Scope A1正置金相顯微鏡下觀察其微觀組織，沖擊斷口形貌采用日立SU3500掃描電鏡進(jìn)行分析。

表1 304L不銹鋼化學(xué)成分

Tab.1 Chemical compositions of 304L stainless steel

圖2 SLM成形沖擊試樣

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 激光功率、掃描速度對(duì)340L硬度的影響

根據(jù)《金屬材料布氏硬度試驗(yàn)第1部分：試驗(yàn)方法》（GB/T 231.1—2018），對(duì)不同工藝參數(shù)成形304L沖擊試樣進(jìn)行表面硬度檢測(cè)，分別在每個(gè)沖擊試樣上表面和側(cè)面進(jìn)行3次硬度測(cè)試后求平均值。圖3為不同激光功率及掃描速度對(duì)304L試樣硬度的影響曲線。由圖3可知，試樣上表面硬度最大值為201HBW5/250，最小值為193HBW5/250，極差為8，平均值為196HBW5/250，標(biāo)準(zhǔn)差為2.14；試樣側(cè)面硬度最大值為209HBW5/250，最小值為194HBW5/250，極差為15，平均值為202HBW5/250，標(biāo)準(zhǔn)差為4.60。檢測(cè)結(jié)果表明，SLM成形工藝參數(shù)對(duì)304L沖擊試樣表面硬度的影響較小，試樣側(cè)面硬度略大于上表面硬度。

圖3 SLM成形工藝參數(shù)對(duì)304L硬度的影響

2.2 激光功率和掃描速度對(duì)304L沖擊韌性的影響

圖4為不同激光功率及掃描速度對(duì)304L沖擊韌性的影響。掃描速度為800 mm/s時(shí)，304L在激光功率300、320、340 W下的沖擊韌性值非常接近，分別為141.9、140.1、139.3 J，表明在較低的掃描速度下，激光功率對(duì)SLM成形304L沖擊韌性值影響不大；當(dāng)掃描速度為800～1 000 mm/s時(shí)，304L沖擊韌性值隨掃描速度的增大而逐漸減小，當(dāng)功率為320 W時(shí)，沖擊韌性持續(xù)降低，當(dāng)功率為300 W和340 W時(shí)有輕微震蕩；當(dāng)掃描速度為1 000～ 1 500 mm/s時(shí)，SLM成形304L沖擊韌性值隨著激光功率的下降和掃描速度的提高而大幅下降，其中，激光功率為300 W時(shí)降幅最大；從整體來(lái)看，隨著激光功率的增大，掃描速度對(duì)沖擊韌性值的影響逐漸減小。

圖4 SLM成形工藝參數(shù)對(duì)304L沖擊韌性的影響

采用激光體能量密度進(jìn)行304L不銹鋼 SLM成形工藝參數(shù)對(duì)沖擊韌性的影響分析，由圖5可知，在圖中紅框范圍內(nèi)，沖擊韌性的最大值為141.9 J，最小值為134.5 J，極差為7.4 ，平均值為138.38 J，標(biāo)準(zhǔn)差為1.95，標(biāo)準(zhǔn)差和極差都很小，表明在激光體能量密度為100～140 J/mm3的情況下，激光功率和激光掃描速度對(duì)SLM成形304材料沖擊韌性影響不大，304L沖擊韌性穩(wěn)定在138 J左右。

式中：E為激光體能量密度，J/mm3；P為激光功率，W；s為掃描間距，mm；v為掃描速度，mm/s；t為鋪粉層厚度，mm。

2.3 SLM成形304L的顯微組織

圖6為典型激光選區(qū)熔化成形304L不銹鋼側(cè)面顯微組織（熔化成形條件為340 W，800 mm/s）。從圖6a可以看到，經(jīng)腐蝕后其金相組織主要為典型的層狀魚(yú)鱗組織，由逐層打印導(dǎo)致的熔池逐層堆積所形成；逐層打印過(guò)程中，已凝固材料經(jīng)歷多次快速加熱及冷卻過(guò)程，導(dǎo)致晶粒跨越熔池生長(zhǎng)，形成不規(guī)則柱狀晶粒[22]。從高倍SEM圖（圖6b）中可以看到，粉末在激光掃描后迅速冷卻，使得熔池內(nèi)部晶粒呈多形態(tài)隨機(jī)分布，主要為胞狀晶和柱狀晶結(jié)構(gòu)，柱狀結(jié)構(gòu)晶粒主要朝熱擴(kuò)散方向生長(zhǎng)，大致垂直于界面。界面處的細(xì)小組織為快速冷卻時(shí)由于胞狀界面和枝晶界面的轉(zhuǎn)化過(guò)程中枝晶細(xì)化而產(chǎn)生的細(xì)小枝晶[23]，主要為胞狀枝晶和柱狀枝晶，同傳統(tǒng)304L奧氏體結(jié)構(gòu)有明顯的差異。

圖6 SLM成形304L微觀組織圖

2.4 激光體能量密度對(duì)304L斷口形貌的影響

圖7為不同能量密度下沖擊試樣斷口形貌圖，右側(cè)圖片為局部放大掃描圖。從金相圖（圖7a—c）可以看出，斷面致密程度隨能量密度的增大而增大，橫截面上孔洞的尺寸減小且數(shù)量減少，使得斷裂時(shí)受力面積增加，所以沖擊韌性增大。當(dāng)能量密度為90.9 J/mm（300 W，1 100 mm/s）時(shí)，如圖7a所示，斷口處分布有密而小的韌窩，韌窩間局部存在裂紋，在高倍數(shù)下能看到韌窩變形較小，局部分布有舌狀滑移帶，表明在斷裂過(guò)程中發(fā)生了輕微的塑性變形[24-25]。當(dāng)能量密度為113.3 J/mm3（340 W，1 000 mm/s）時(shí)，如圖7b所示，斷面處大小韌窩交替排列，韌窩間撕裂棱起伏明顯，表明在變形過(guò)程中發(fā)生了較大的塑性變形，大韌窩相對(duì)較淺，且韌窩為方向性明顯的半橢圓形狀，也顯示其在變形過(guò)程中經(jīng)歷了塑性變形[26]。當(dāng)能量密度提高到125.9 J/mm3（300 W，800 mm/s）時(shí)，如圖7c所示，大小韌窩更加清晰，且分布均勻，韌窩邊緣撕裂棱起伏較大，在局部區(qū)域還能看到呈條狀的定向塑性滑移帶，滑移帶邊緣和中部的塑性變形方向清晰，且邊緣變形明顯，表明試樣在斷裂變形過(guò)程中經(jīng)歷了較大的塑性變形，因而表現(xiàn)出較好的沖擊韌性。

圖7 不同激光體能量密度下沖擊試樣斷口形貌

3 結(jié)論

1）在試驗(yàn)范圍內(nèi)，激光功率和掃描速度對(duì)SLM成形304L零件表面硬度的影響較小，硬度最大值為207HBW5/250，最小值為193HBW5/250，均值為199HBW5/250，試樣側(cè)面硬度略大于上表面硬度。

2）SLM成形304L試樣的沖擊韌性隨著激光功率的下降和掃描速度的提高而下降。當(dāng)掃描速度為800～1 000 mm/s時(shí)，激光功率對(duì)SLM成形304L沖擊韌性值影響不大。當(dāng)激光體能量密度為100～ 140 J/mm3時(shí)，激光功率和激光掃描速度對(duì)材料沖擊韌性影響不大，304L沖擊韌性穩(wěn)定在138 J左右。

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Effect of Selective Laser Melting Process on Impact Toughness of 304L Stainless Steel

LI Yan-li1,4, WU Dai-jian1, CHEN Cheng2, MEN Zheng-xing2,4, ZHANG Hong3,4

(1. Department of Materials Engineering, Sichuan Engineering Technical College, Sichuan Deyang 618000, China; 2. School of Aeronautical Manufacturing Industy, Chengdu Aeronautic Polytechnic, Chengdu 610021, China; 3. a. College of Architecture and Environment b. Failure Mechanics and Engineering Disaster Prevention and Mitigation Key Laboratory of Sichuan Province, Sichuan University, Chengdu 610065, China; 4. National Engineering Research Center for advanced manufacturing technology and equipment of large castings and forgings, Chengdu 610021, China)

The work aims to obtain the optimum process parameters of 304L stainless steel, the influence of process parameters on impact toughness of 304L stainless steel by selective laser melting (SLM) were studied. Impact tests were carried out on 304L stainless steel formed by selective laser melting under laser power of 300-340 W and laser scanning speed of 800-1 500 mm/s, the regular pattern of process parameters on impact toughness were analyzed through the surface hardness, microstructure and transverse fracture morphology. The results show that the microstructure of 304L stainless steel formed by SLM is irregular columnar grains grown across the molten pool, and the forming process parameters have no significant effect on the surface hardness of the sample. With the increase of laser power and the decrease of laser scanning speed, the densification degree of 304L stainless steel section is improved, the size and number of hole defects are reduced, the impact toughness is increased, and the maximum impact energy is 141.9 J. Based on the impact test results, the impact toughness value of 304L is stable at about 138 J, when the laser volume energy density is within 100-140 J/mm3, which is the optimum process parameter range to prepare 304L stainless steel.

selective laser melting; 304L; impact toughness; process parameters

10.3969/j.issn.1674-6457.2022.10.018

TG316

A

1674-6457(2022)10-0126-07

2022?01?10

四川省科技計(jì)劃重點(diǎn)研發(fā)項(xiàng)目（2020YFG0204）；中國(guó)博士后基金（2019M653396）；四川大學(xué)?自貢政府戰(zhàn)略合作支持項(xiàng)目（2019CDZG-4）；四川大學(xué)?宜賓政府戰(zhàn)略合作支持項(xiàng)目（2019CDYB-24）；四川大學(xué)博士后基金（2019SCU12056）

李艷麗（1982—），女，副教授，主要研究方向?yàn)榻饘偎苄猿尚巍?/p>