掃描速率對SLM成形718HH模具鋼成形性的影響

張夢醒, 馬黨參, 周 健, 遲宏宵, 王長軍

(鋼鐵研究總院有限公司 特殊鋼研究院, 北京 100081)

增材制造(Additive manufacturing, AM)技術是目前各國競相研發的顛覆性前沿技術,在世界范圍內獲得廣泛關注與重視[1-3]。其中選區激光熔化技術(Selective laser melting, SLM)是一種新興的激光粉末床熔合AM工藝,具有研制周期短、材料利用率高、成型精度高等技術優勢,能夠直接快速地成形結構復雜、形狀完整、功能齊全的零部件,在航空航天、模具、汽車以及醫療等領域得到廣泛應用[4-5]。目前SLM技術已成為快速成型金屬模具領域的研究熱點,其技術特點可以解決直線狀的注塑模具冷卻水道問題,生產隨注塑模具形狀變化的隨形冷卻水道,使得注塑制品得到均勻的冷卻,減少冷卻時間和制品變形,提高冷卻效率和產品質量[6-8]。目前,國產商用SLM成形金屬模具材料較少,遠遠不能滿足現代模具生產領域的發展需求。

718HH塑料模具鋼屬于718系列模具鋼,其淬透性更好,蝕花性能更佳,拋光性能也更加優異,是當前汽車模具鋼行業的優選鋼種,因此本文選取718HH塑料模具鋼粉末作為SLM成形的原材料,在前期研究基礎上探究不同的激光掃描速率對SLM成形718HH塑料模具鋼性能的影響規律,確定最佳的成形工藝參數,為718系列模具鋼的SLM模具成形技術提供工藝基礎。

1 試驗材料及方法

1.1 試驗材料

本文采用氣霧化法制備的718HH塑料模具鋼粉末為原材料,化學成分如表1所示,微觀形貌如圖1所示,粉末的平均粒徑為43.53 μm,呈球形或近球形。粉末的流動性為18.44 s/50 g、松裝密度和振實密度分別為4.16和4.75 g/cm3。

表1 718HH塑料模具鋼粉末的化學成分(質量分數,%)

圖1 718HH模具鋼粉末顆粒的顯微形貌

1.2 試驗條件及表征手段

SLM成形試驗在國產DLM-280型金屬選擇性激光熔化3D打印機上進行。該打印機鋪粉層厚0.025～0.1 mm可調,掃描速率范圍為0～8500 mm/s,成形尺寸最大為280 mm×280 mm×300 mm。由一系列前期試驗確定本次SLM成形采用的激光功率為255 W,掃描策略為旋轉角67°,鋪粉層厚為0.03 mm,掃描間距為0.1 mm,激光光斑直徑為φ0.10 mm,基板為316不銹鋼鋼板,保護氣氛為高純氬氣(99.999%)。試驗采用6種掃描速率(800、900、950、980、1000及1100 mm/s)制備試樣,成形試樣尺寸為10 mm×10 mm×10 mm。試驗前將20 kg 718HH鋼粉末置于80 ℃的烘箱內烘干6 h,去除粉末中的水分,可在打印過程中增強粉末的流動性,以提高鋪粉質量。試驗所得718HH塑料模具鋼SLM成形試樣表面光潔度良好,無明顯宏觀缺陷。

采用線切割分離成形試樣與基板,試樣的上表面和側表面經磨平拋光后,采用倒置式光學顯微鏡(OM)進行觀察,然后用5%硝酸酒精溶液進行腐蝕,使用OM和FEI Quanta 650FEG型掃描電鏡(SEM)觀察微觀組織。另對試樣側表面進行磨平拋光后,采用EM500-2A型半自動顯微維氏硬度計進行硬度測量,載荷為300 g,從試樣底端間距0.5 μm取10個點進行測量,取其平均值作為試樣的平均顯微硬度。

2 試驗結果與討論

2.1 體激光能量密度

SLM成形過程中熔化金屬粉末的主要能量來源是高能量的激光[9]。而SLM成形工藝參數中的掃描速率、激光功率、鋪粉厚度、掃描間距等都將影響成形過程中試樣的成形質量。體激光能量密度Ev為單位體積的激光能量,可以用來評估SLM成形過程中激光輸入到成形粉末層的能量,其計算公式為[10]:

(1)

式中:P為激光功率;S為掃描間距;V為掃描速率;T為鋪粉厚度。根據本次試驗P=255 W、S=0.1 mm、T=0.03 mm,通過式(1)計算可得掃描速率為800、900、950、980、1000及1100 mm/s下的體積激光能量密度分別為106.25、94.44、89.47、86.73、85.00、77.27 J/mm3,可見隨著掃描速率的增大,試樣成形時的體能量密度依次降低。朱天云等[11]研究發現,采用SLM成形時,成形件的內部質量一般與成形時金屬粉末的熔化效果有關,在所用金屬粉末的冶金性能范圍內,其他參數條件一定時,激光掃描速率越小,熔融粉末的粘度越小,成形時熔融粉末的鋪展效果越好,成形軌跡之間的結合就越緊密,進而使最終成形件的成形質量越高,綜合性能越好。

2.2 SLM成形試樣表面形貌

圖2為不同掃描速率下718HH鋼SLM成形試樣上表面和側表面的拋光態形貌。通過對比6種不同掃描速率下的SLM成形件上表面孔洞最多的視場(見圖2(a1～f1))可以明顯看出,當掃描速率較小(800和900 mm/s)時,試樣表面幾乎沒有孔洞或孔洞尺寸較小,而當掃描速率較大(950～1100 mm/s)時,試樣表面孔洞數量變多且尺寸較大。高掃描速率下孔洞的形成主要是由于SLM逐層遞增的成形方式。在逐層成形過程中,球化效應會阻礙打印層在上一成形層上的均勻沉積,在高掃描速率下,這種不均勻的粉末層會阻礙熔池前端及內部的熔融體運動,熔融體難以完全填充,從而導致層間孔隙。即隨著掃描速率的增加,熔化粉末的能量密度減小,粉末從完全熔化到未完全熔化,增加試樣內部的缺陷,從而增加了成形件表面的孔洞率[12]。

由圖2(a2～f2)可以看出,除掃描速率為800 mm/s以外,在其他掃描速率下試樣的側表面邊界處均產生了不同程度的裂紋,且裂紋擴展方向垂直于粉末成形時的沉積方向,說明SLM成形件側表面邊界處的裂紋擴展具有明顯的取向性,且沿著熔融層擴展[13]。718HH鋼SLM成形試樣的側表面裂紋一般起源于試樣邊緣,這是因為SLM成形過程時,熔池凝固過程中冷卻速度快,溫度梯度大,試樣內存在很大的殘余應力;而且成形件的側表面邊緣與基體粉末接觸多,會有未熔或半熔粉末黏附在表面(如圖3所示),導致溫度梯度更大且會使邊界形成缺口 (如圖2(b2)所示),使裂紋、孔洞等缺陷更易產生;另外,當掃描速率增大時,液相前沿的凝固速率增加,從而增大溫度梯度,因此在較高的掃描速率下SLM成形件的側表面均產生了不同程度的裂紋。

圖3 SLM成形試樣側表面拋光態的SEM照片(掃描速度900 mm/s)

2.3 顯微組織

圖4是不同掃描速率下SLM成形件側表面腐蝕后的光學顯微照片,顯示了典型熔池的形貌和分布。由圖4可見,6種掃描速率下,熔池之間的搭接連續,熔池的大小隨掃描速率的增加而增大,而且隨著掃描速率的增加,表面出現不同程度的孔洞缺陷。當掃描速率較低時,熔池分布較為均勻,隨著掃描速率的增大,熔池分布的交錯和亂序越來越明顯。這是因為隨著掃描速率增大,激光能量密度減少,粉末獲得的能量不足,熔池內會形成明顯的溫度梯度,從而引起表面張力梯度和由此產生的Marangoni對流,且這種對流往往會導致液體的不穩定[14],由此造成了越來越明顯的結構不均勻。

圖4 不同掃描速率下SLM成形試樣的側表面腐蝕后的形貌

不同掃描速率下 SLM 成形后的718HH鋼金相試樣的上表面組織如圖5所示,凝固組織主要為板條馬氏體。由圖5可以看出,隨著掃描速率的增加,馬氏體組織細化。當掃描速率為950 mm/s時,馬氏體組織最均勻。冷卻速度和粉末中的合金元素都影響著打印過程中的馬氏體相變。馬氏體相變開始于熔池冷卻速度大于馬氏體臨界冷卻速度到Ms點以下,隨著溫度降低,結束于Mf點。718HH鋼粉末中的Mn、Ni、Cr等合金元素可以穩定過冷奧氏體,降低馬氏體臨界冷卻速度,促進馬氏體相變。本質上,激光掃描速率通過改變凝固速率和實際過冷度來影響相變。增大掃描速率,熔池內液體前沿的凝固速率增加,從而增強熱過冷和動力學過冷,顯著增加熔池的溫度梯度促進馬氏體相變。因此718HH鋼粉末可以在SLM成形過程中熔池快速冷卻作用下,進行馬氏體轉變[15]。

2.4 顯微硬度

圖6為不同掃描速率下SLM成形金相試樣的側表面沿成形方向的顯微硬度分布和平均顯微硬度。從圖6(a)可以看出,沿SLM成形方向各掃描速率下試樣的硬度分布均存在波動。這可能是因為在SLM成形的過程中,液態熔池內部具有復雜的冶金過程,不同區域具有差別較大的溫度梯度,從而得到不同飽和程度的馬氏體,因此熔池邊界和內部具有不同的硬度值。從圖6(b)可以看出,718HH模具鋼成形件的平均顯微硬度隨著掃描速率的增加呈現先升高后降低的趨勢。SLM成形過程中,在快速冷卻凝固階段,熔池內部的液相向固相轉變的過程中,由于快速冷卻凝固,會發生體積收縮以及馬氏體相變時的體積膨脹,導致組織中產生殘余應力,兩者相比,馬氏體相變過程中產生的殘余應力更大。800 mm/s的掃描速率下,體能量密度最大,溫度梯度較小,殘余應力較低,因此硬度相對較低[16],隨著掃描速率增加,溫度梯度變大,殘余應力隨之增加,一般SLM成形件中合理水平的殘余應力可以提高硬度[17],同時組織的細化也可以提高硬度值。因此當掃描速率為980 mm/s時,成形件的硬度值最大,但當掃描速率進一步提高時,能量密度減低,成形件內部會形成孔洞和裂紋,降低成形質量進而導致硬度降低。因此,在晶粒尺寸、殘余應力和孔洞裂紋等缺陷的綜合影響下,打印件的平均顯微硬度隨著掃描速率的增加呈現先升高后降低的趨勢。

圖6 不同掃描速率下SLM成形試樣的側表面顯微硬度

3 結論

1) 隨著掃描速率的增大,SLM成形718HH塑料模具鋼的上表面孔洞越來越多,且側表面邊界會產生不同程度的裂紋。當掃描速率為800 mm/s時,打印件的上表面和側表面質量最好,幾乎沒有孔洞和裂紋產生,組織致密,具有良好的顯微硬度,適用于SLM成形。

2) SLM成形718HH塑料模具鋼的側表面腐蝕后,可見明顯的熔池分布。熔池的大小隨掃描速率的增加而增大,且隨著掃描速率的增大,熔池分布的交錯和亂序越來越明顯。打印件的組織主要為馬氏體。

3) SLM成形718HH塑料模具鋼具有較高的顯微硬度。在晶粒尺寸、殘余應力和孔洞裂紋等缺陷的綜合影響下,打印件的平均顯微硬度隨著掃描速率的增加呈現先增大后降低的趨勢。