閻 昱 易海佳 王海波

(北方工業(yè)大學(xué)機(jī)械與材料工程學(xué)院，100144，北京)

不銹鋼是一種金屬材料，全稱不銹耐酸鋼. 不銹鋼內(nèi)部含有大量的Cr，與傳統(tǒng)的鋼材相比，它的強(qiáng)度，剛度，低溫韌性，高溫強(qiáng)度等性能遠(yuǎn)高于普通鋼材，并且它有著抗腐蝕、使用年限長(zhǎng)、可重復(fù)回收利用等優(yōu)勢(shì)，有著良好的發(fā)展前景，目前廣泛應(yīng)用到醫(yī)用器械、輕量化結(jié)構(gòu)以及大量的多孔結(jié)構(gòu)的零部件之中.[1]

傳統(tǒng)的鑄造和鍛造是目前不銹鋼制造的主要手段. 鑄造屬于等材制造，這種鑄造方式的特點(diǎn)是勞動(dòng)消耗大，并且成形件的質(zhì)量差，極易產(chǎn)生缺陷；鍛造是減材制造，減材制造是目前所有金屬制備中最常見(jiàn)的類型，這種制備方式對(duì)原材料的利用率低、消耗大，由于不銹鋼導(dǎo)熱性極好，切削加工的過(guò)程中容易出現(xiàn)粘刀的情況，且因?yàn)椴讳P鋼的硬度大，切割的刀具極易產(chǎn)生磨損.[2]

進(jìn)入21世紀(jì)后，制造業(yè)快速發(fā)展，增材制造作為一種材料利用率高且制備方式簡(jiǎn)單的新型制備手段有效解決了目前的問(wèn)題.[3]SLM是金屬增材制造的重要技術(shù)，它通過(guò)激光快速熔化金屬粉末，凝固后層層疊加的方式，快速實(shí)現(xiàn)無(wú)模具、無(wú)浪費(fèi)的復(fù)雜結(jié)構(gòu)金屬的近凈成形.[4]可是通過(guò)SLM成形的金屬一般存在著殘余應(yīng)力，裂紋、球化、孔隙等問(wèn)題.[5-7]

本文通過(guò)改變316L不銹鋼制備過(guò)程中的填充激光功率、掃描間距、掃描速度，通過(guò)設(shè)計(jì)單向拉伸，剪切拉伸，平面應(yīng)變3種靜態(tài)拉伸試驗(yàn)，研究了不同工藝參數(shù)對(duì)于增材制造成形板材的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、延伸率和彈性模量的影響，選擇了最合適的工藝參數(shù)，為316L不銹鋼增材制造的板材成形提供了堅(jiān)實(shí)的理論和實(shí)踐基礎(chǔ).

1 激光增材制造試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)設(shè)備

本論文的增材制造試驗(yàn)采用易博三維自主研發(fā)的IGAM- 1 SLM激光增材制造設(shè)備完成，IGAM- 1選擇性激光熔化設(shè)備主要由掃描系統(tǒng)、激光系統(tǒng)、送粉系統(tǒng)、控制系統(tǒng)4大部分組成，在燒結(jié)過(guò)程中粉末通過(guò)送粉系統(tǒng)到達(dá)粉末燒結(jié)平臺(tái)，然后使用激光掃描系統(tǒng)燒結(jié)粉末并快速冷卻，最終層層堆疊達(dá)到粉末熔融成型的效果.

1.2 試驗(yàn)材料

本研究制備的316L不銹鋼采用亞通合金粉末所提供的316L不銹鋼粉末，其化學(xué)組成如表1所示，其中Fe元素為基材，主要元素組成為Cr、Ni、Mo、Si占比較大的部分，含有少量C、P.

激光增材制造技術(shù)過(guò)程中粉末的粒度范圍、流動(dòng)性、堆積密度等眾多物理性能都會(huì)對(duì)激光增材制造試件的致密度，微觀形貌，宏觀形貌，機(jī)械性能產(chǎn)生重要的影響. 本文采用的316L不銹鋼粉末的粉末直徑、密度和流動(dòng)性如表2所示，該粉末流動(dòng)性好且粒度尺寸小，符合試驗(yàn)的基本要求.

表1 316L不銹鋼粉末化學(xué)組成

表2 316L不銹鋼粉末物理性質(zhì)

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

增材制造試件的性能主要由激光能量密度所決定，激光能量密度指的是每單位金屬合金粉末所吸收的激光能量[8]，其計(jì)算公式如下：

E=P/(νht)

(1)

其中E代表激光能量密度，P是填充激光功率，單位W；ν是激光掃描速度，單位mm/s，h是激光掃描間距，單位mm；t代表每次的鋪粉厚度，單位mm. 不同材料由于其自身的性質(zhì)，都會(huì)導(dǎo)致材料熔化所需吸收的熱量不一樣. 在制造過(guò)程中，激光能量密度過(guò)低，無(wú)法將粉末完全融化，會(huì)出現(xiàn)試件畸變，裂紋等現(xiàn)象. 激光能量密度過(guò)大，會(huì)導(dǎo)致粉末的燒蝕，粉末流失，從而形成孔隙，畸變等嚴(yán)重問(wèn)題. 所以必須選擇合適的激光能量密度，應(yīng)用合理的工藝參數(shù)配比，才可以減少材料的浪費(fèi)，提高成功率，得到最理想狀態(tài)的增材制造試件.

本文以掃描速度、掃描間距和填充激光功率3種工藝參數(shù)為變量，使用固定變量法對(duì)3種工藝參數(shù)進(jìn)行了組合，組成了10組工藝配合，如表3所示.

1.3.SLM制備的試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)表3中不同工藝參數(shù)的設(shè)置，進(jìn)行316L不銹鋼的增材制造，成功得到了工藝參數(shù)序號(hào)為1、2、3、4、5、6、7、10的塊體，如圖1所示.

表3 工藝參數(shù)

從圖1中可以看出，打印成功的塊體宏觀形貌規(guī)整，表面較為平滑，未出現(xiàn)較大變形，并且無(wú)明顯裂紋. 8、9號(hào)試件未成功制備，打印過(guò)程中均出現(xiàn)了塊體大幅度畸變，并且有裂紋和分層現(xiàn)象產(chǎn)生. 制備失敗的主要原因是掃描間距過(guò)小，掃描重疊區(qū)域過(guò)大，激光熔化的過(guò)程中存在一半是已經(jīng)凝固的金屬熔化，而另一半是粉末熔化的現(xiàn)象. 金屬的重復(fù)熔化導(dǎo)致材料冷縮次數(shù)增加，容易產(chǎn)生裂紋；金屬吸收的熱量增加，導(dǎo)致材料的氣化，金屬熔池產(chǎn)生的蒸汽膨脹會(huì)對(duì)熔池造成反沖壓力，造成液滴濺射，產(chǎn)生球化現(xiàn)象；并且由于掃描間距過(guò)小，熔池液體濺射到已經(jīng)凝固的部分，燒蝕產(chǎn)生了孔隙.

2 激光增材制造316L不銹鋼試樣的靜態(tài)拉伸試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)設(shè)備

本次拉伸試驗(yàn)采用INSTRON 5980系列雙立柱落地式試驗(yàn)機(jī)，該拉伸試驗(yàn)系統(tǒng)最大載荷為600 kN，可通過(guò)橫梁位移- 載荷，位移引伸計(jì)等方式精確實(shí)時(shí)獲得試驗(yàn)數(shù)據(jù).

2.2 試驗(yàn)材料

對(duì)增材制造試件力學(xué)性能的檢測(cè)是通過(guò)拉伸試驗(yàn)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，拉伸試驗(yàn)是力學(xué)性能測(cè)試的重要試驗(yàn)，可得到材料的應(yīng)力應(yīng)變數(shù)據(jù)，通過(guò)處理可以得到材料延伸率、抗拉強(qiáng)度、彈性模量等力學(xué)參數(shù). 本文選擇了單向拉伸試驗(yàn)、剪切拉伸試驗(yàn)、平面應(yīng)變?cè)囼?yàn)這3種靜態(tài)拉伸作為增材制造試件的力學(xué)性能衡量方法.

單向拉伸試驗(yàn)試件根據(jù)《GB/T 288—2010 金屬材料拉伸試驗(yàn)方法》設(shè)計(jì)，其中試件長(zhǎng)度為105 mm，寬度為14 mm，平行段長(zhǎng)度為26.26 mm. 具體尺寸如圖2所示.

本論文根據(jù)Luo和Li等提出的剪切試驗(yàn)形狀[9-10]進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)，試件長(zhǎng)度105 mm，寬21 mm，標(biāo)距段26.24 mm，具體尺寸如圖3所示.

平面應(yīng)變是常見(jiàn)的基礎(chǔ)拉伸試驗(yàn)，本次平面應(yīng)變拉伸試件為缺口形式，長(zhǎng)度為105 mm，寬度為21 mm，具體尺寸如圖4所示.

本文增材制造過(guò)程中制備的是長(zhǎng)方體形狀的316L不銹鋼金屬塊體，因此通過(guò)線切割將SLM打印的金屬塊體切割成拉伸試件的尺寸. 線切割具有材料利用率高、加工精度高、切割周期短等優(yōu)點(diǎn)，能夠很好的保證試件的尺寸及精度. 加工后的試件如圖5所示.

3.316L不銹鋼的力學(xué)性能影響分析

為了研究不同的填充激光功率、掃描速度、掃描間距對(duì)316L不銹鋼增材制造板材的力學(xué)性能的影響，本文進(jìn)行了8組拉伸試驗(yàn)，每組試驗(yàn)由3種不同類型的拉伸試驗(yàn)組成，并通過(guò)處理得到了材料的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、延伸率，試驗(yàn)結(jié)果如下.

3.1 填充激光功率影響分析

選取掃描速度為1 000 mm/s，掃描間距為0.08 mm，填充激光功率為220 W、260 W、300 W、340 W的316L的不銹鋼試件，然后進(jìn)行了單向拉伸、剪切拉伸、平面應(yīng)變拉伸3種試驗(yàn)，計(jì)算得到材料的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、延伸率和彈性模量的變化趨勢(shì)，如圖6所示.

由圖6中可以看出，在填充激光功率達(dá)到220 W時(shí)，試件的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、延伸率和彈性模量最低，此時(shí)屈服強(qiáng)度為110 MPa，抗拉強(qiáng)度為126 MPa，延伸率為1.2%，彈性模量為21 432 MPa；隨著填充激光功率的上升，材料的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和延伸率上升，當(dāng)填充激光功率達(dá)到300 W時(shí)，成形件的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、延伸率達(dá)到最大，此時(shí)屈服強(qiáng)度為230 MPa，抗拉強(qiáng)度為280 MPa，延伸率為2.27%，彈性模量為42 434 MPa；當(dāng)填充激光功率超過(guò)300 W時(shí)，試件的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和延伸率減小.

根據(jù)剪切拉伸試驗(yàn)，通過(guò)數(shù)據(jù)處理得到了材料剪切狀態(tài)的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、延伸率和彈性模量，如圖7所示. 可以看出，在填充激光功率為340 W時(shí)，剪切試件的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度最好，屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度為132 MPa、抗拉強(qiáng)度為151 MPa，延伸率為1.5%；在填充激光功率為260 W時(shí)，材料的剪切延伸率最高，僅達(dá)到1.75%，此時(shí)屈服強(qiáng)度為128 MPa，抗拉強(qiáng)度為147 MPa. 填充激光功率為300 W時(shí)，材料的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度最低，為117 MPa和127 MPa，此時(shí)延伸率為1.2%. 剪切試件的彈性模量隨著填充激光功率的上升而上升，340 W時(shí)材料的楊氏模量為55 070 MPa.

根據(jù)平面試件的拉伸試驗(yàn)，處理后得到了材料平面應(yīng)變狀態(tài)的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、延伸率和彈性模量，如圖8所示.

從圖8可以看出，在填充激光功率為220 W時(shí)，材料的力學(xué)性能最差，此時(shí)屈服強(qiáng)度為220 MPa，抗拉強(qiáng)度為241 MPa，延伸率為0.92%，彈性模量為40 867 MPa；隨著填充激光功率上升，材料的抗拉強(qiáng)度和延伸率隨之上升，在填充激光功率為300 W時(shí)，平面應(yīng)變?cè)嚰那?qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、延伸率和彈性模量達(dá)到了最大值，此時(shí)屈服強(qiáng)度為288 MPa，抗拉強(qiáng)度為340 MPa，延伸率為1.49%，抗拉強(qiáng)度為46 735 MPa；隨著激光填充功率的繼續(xù)上升，材料的力學(xué)性能隨之下降.

隨著填充激光功率的上升，單向拉伸試件和平面試件的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、延伸率和彈性模量上升，在300 W時(shí)達(dá)到最高，這是因?yàn)殡S著激光功率的上升，金屬粉末熔化充分. 隨著激光功率的繼續(xù)提升，屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、延伸率和彈性模量降低，這是由于材料吸收的熱量增多，出現(xiàn)了球化和孔隙，材料的冷縮加劇，產(chǎn)生了更大的殘余應(yīng)力和裂紋. 剪切試件的性能與平面應(yīng)變和單向拉伸力學(xué)性能不同，這是因?yàn)椴牧嫌懈飨虍愋?

3.2 掃描間距影響分析

試驗(yàn)選取掃描速度1 000 mm/s，填充激光功率340 W，掃描間距0.06 mm、0.08 mm、0.10 mm、0.12 mm工藝制備的316L不銹鋼，但是掃描間距為0.10 mm、0.12 mm的試件制備后呈現(xiàn)軟化狀態(tài)，失去了常見(jiàn)金屬的特性，主要原因是增材制造過(guò)程中掃描間距過(guò)大，導(dǎo)致熔道之間無(wú)法產(chǎn)生有效搭接，出現(xiàn)了材料致密度低，沒(méi)有硬度并質(zhì)地松軟的現(xiàn)象. 將0.06 mm、0.08 mm的試件進(jìn)行了平面拉伸，剪切拉伸，平面拉伸3種試驗(yàn).

根據(jù)單向拉伸試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理，計(jì)算得到材料單向拉伸狀態(tài)的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、延伸率和彈性模量，如圖9所示.

從圖9中可以看出，隨著掃描間距的增大，材料的力學(xué)性能得到提升，在掃描間距為0.08 mm時(shí)試件的屈服強(qiáng)度為220 MPa，抗拉強(qiáng)度為277 MPa，延伸率為1.5%，楊氏模量為40 829 MPa；在掃描間距為0.06 mm時(shí)，試件的屈服強(qiáng)度為108 MPa，抗拉強(qiáng)度僅有122 MPa，延伸率為1.2%，彈性模量為20 215 MPa.

根據(jù)剪切試件的拉伸試驗(yàn)，通過(guò)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理和計(jì)算，得到試件剪切狀態(tài)的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、延伸率和彈性模量的變化趨勢(shì)，如圖10所示. 可以看出，掃描間距越大，試件的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、延伸率和彈性模量越大. 掃描間距為0.08 mm時(shí)，試件的力學(xué)性能最好，此時(shí)屈服強(qiáng)度為132 MPa，抗拉強(qiáng)度達(dá)到了150 MPa，試件延伸率為1.5%，彈性模量為54 119 MPa. 掃描間距為0.06 mm時(shí)，試件力學(xué)性能最差，此時(shí)材料的屈服強(qiáng)度為79 MPa，抗拉強(qiáng)度為87 MPa，延伸率為0.6%，彈性模量為36 527 MPa.

根據(jù)平面拉伸試件的拉伸試驗(yàn)，通過(guò)數(shù)據(jù)處理和計(jì)算得到了試件在平面應(yīng)變狀態(tài)下的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、延伸率和彈性模量，如圖11所示.

從圖11可以看出，材料的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和延伸率隨著掃描間距的增加而增加，在掃描間距為0.08 mm時(shí)，材料的力學(xué)性能最好，此時(shí)屈服強(qiáng)度為271 MPa，抗拉強(qiáng)度為313 MPa，延伸率為1.4%，彈性模量為41 245 MPa；在掃描間距為0.06 mm時(shí)材料的力學(xué)性能最差，此時(shí)屈服強(qiáng)度為134 MPa，抗拉強(qiáng)度為153 MPa，延伸率為0.8%，彈性模量為29 885 MPa.

增材制造的316L不銹鋼試件，隨著掃描間距的增加，材料的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、延伸率和彈性模量隨之上升. 這是因?yàn)殡S著掃描間距的增加，熔道之間不會(huì)重復(fù)搭接，減少了內(nèi)應(yīng)力的產(chǎn)生.

3.3 掃描速度影響分析

選取填充激光功率340 W，掃描間距0.06 mm，掃描速度為800 mm/s，1 000 mm/s，1 200 mm/s，1 400 mm/s的316L不銹鋼試件，在制備過(guò)程中，800 mm/s和1 200 mm/s經(jīng)過(guò)多次制備都沒(méi)有制備成功，主要是因?yàn)檫x擇的掃描間距過(guò)小，重復(fù)的熔道搭接，產(chǎn)生球化和材料的畸變分層，大大降低了制備的成功率. 因此僅選取1 000 mm/s和1 400 mm/s的成功試樣，進(jìn)行單向拉伸、剪切拉伸、平面拉伸3種試驗(yàn)，以測(cè)試試件的性能變化.

通過(guò)單拉試件的拉伸試驗(yàn)，進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理和計(jì)算，得到單拉試件的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、延伸率和彈性模量，如圖12所示.

從圖12中可以看，隨著掃描速度的提升，材料的力學(xué)性能隨著提升，掃描速度為1 400 mm/s時(shí)，單拉試件的力學(xué)性能最好，此時(shí)屈服強(qiáng)度為175 MPa，抗拉強(qiáng)度為200 MPa，延伸率達(dá)到了1.46%，彈性模量為31 982 MPa；在掃描速度為1 000 mm/s時(shí)，單拉試件的力學(xué)性能最差，此時(shí)屈服強(qiáng)度為108 MPa，抗拉強(qiáng)度為122 MPa，延伸率為1.2%，彈性模量為20 215 MPa.

根據(jù)剪切拉伸試驗(yàn)的數(shù)據(jù)結(jié)果，得到試件剪切狀態(tài)的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、延伸率和彈性模量，如圖13所示. 隨著掃描速度的增加，剪切試件的力學(xué)性能隨之增大. 在掃描速度為1 400 mm/s時(shí)，力學(xué)性能最好，此時(shí)試件的屈服強(qiáng)度為130 MPa，抗拉強(qiáng)度為146 MPa，延伸率為0.79%，彈性模量為55 070 MPa；掃描速度為1 000 mm/s時(shí)，試件的力學(xué)性能最差，此時(shí)屈服強(qiáng)度為79 MPa，抗拉強(qiáng)度為87 MPa，延伸率為0.62%，彈性模量為36 527 MPa.

根據(jù)平面應(yīng)變?cè)嚰脑囼?yàn)結(jié)果，得到了試件平面應(yīng)變狀態(tài)的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、延伸率和彈性模量，如圖14所示.

從圖14中可以看出，隨著掃描速度的增加，試件的力學(xué)性能隨之提升. 在掃描速度達(dá)到1 400 mm/s時(shí)，試件的力學(xué)性能最好，此時(shí)屈服強(qiáng)度為154 MPa，抗拉強(qiáng)度為174 MPa，延伸率為0.87%，彈性模量為33 969 MPa；在掃描速度為1 000 mm/s時(shí)，試件的力學(xué)性能最差，此時(shí)屈服強(qiáng)度為134 MPa，抗拉強(qiáng)度為153 MPa，延伸率為0.82%，彈性模量為29 885 MPa.

隨著掃描速度的提升，材料的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、延伸率和彈性模量隨之提升，這是因?yàn)閽呙杷俣冗^(guò)低時(shí)，激光功率太大吸收能量過(guò)多，導(dǎo)致裂紋和殘余應(yīng)力增加，并且溫度過(guò)高造成孔隙和部分金屬小球球化. 而掃描速度的上升減少了以上現(xiàn)象的產(chǎn)生，可是當(dāng)掃描速度過(guò)快時(shí)，金屬粉末無(wú)法吸收足夠的能量，降低了成形件的力學(xué)性能甚至無(wú)法制造出完整的試件.

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)填充激光功率，掃描間距、掃描速度3種工藝參數(shù)對(duì)316L不銹鋼板材力學(xué)性能影響規(guī)律的研究，得到如下結(jié)論：

1)通過(guò)調(diào)控填充激光功率、掃描速度、掃描間距這3種增材制造的工藝參數(shù)，制備成功了8組樣品，發(fā)現(xiàn)掃描件間距過(guò)小時(shí)會(huì)導(dǎo)致掃描區(qū)域重疊，產(chǎn)生球化現(xiàn)象，使材料試件發(fā)生畸變，制備成功率嚴(yán)重降低.

2)填充激光功率會(huì)極大影響增材制造板材的力學(xué)性能，隨著填充激光功率的增加，材料的力學(xué)性能會(huì)隨之加強(qiáng)，在300 W時(shí)材料的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和延伸率最高，激光功率超過(guò)300 W時(shí)材料的力學(xué)性能會(huì)降低，產(chǎn)生材料的燒蝕、球化；剪切試件的彈性模量會(huì)隨著填充激光功率的增加而上升，且其比同工藝參數(shù)的單向拉伸和平面應(yīng)變?cè)嚰?

3)掃描間距和掃描速度都會(huì)對(duì)增材制造的板材的力學(xué)性能產(chǎn)生影響，隨著掃描速度和掃描間距的增加，材料的延伸率、屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和彈性模量隨之上升，當(dāng)掃描間距過(guò)大時(shí)會(huì)導(dǎo)致材料出現(xiàn)軟化現(xiàn)象. 掃描速度過(guò)快會(huì)導(dǎo)致金屬粉末無(wú)法完全熔化，導(dǎo)致材料的力學(xué)性能下降.

4)填充激光功率300 W、掃描速度1 000 mm/s、掃描間距0.08 mm為本文設(shè)計(jì)組合工藝中最優(yōu)的工藝參數(shù)組合.