摘 要:采用金相检验、扫描电镜分析等方法对激光融化技术制备的304及316L不锈钢进行分 析。结果表明:材料的轴向结构在增材制造沉积过程中会有不同层间的热传递,其组织的均匀性受 到影响;材料的区域成分没有明显偏差,不存在成分偏析及次相的析出;熔体的重力作用会使材料 在纵向存在各向异性。
关键词:增材制造;不锈钢;显微组织;性能
中图分类号:TG115.21 文献标志码:A 文章编号:1001-4012(2022)06-0046-04
增材制造(3D 打印)技术属于快速成型生产技 术,在对工件进行数字模型构建的基础上,采用3D 打印设备将树脂或塑料进行熔融、烧结等,再通过逐 层成型来完成精密成型制造。该技术具有定制化的 特点,广泛应用于航空航天、军事机械、人造骨骼、土 木工程模具、饰品生产等领域。其中,选择性激光融 化技术(SLM 技术)是利用金属粉末在高能激光束 热源的作用下完全熔化,经散热凝固后与基体金属 冶金焊合,再逐层累积成型的一种金属3D 打印技 术,目前已成为金属精密成型领域重要的前沿技术 之一[1-2]。
304不锈钢和316L 不锈钢是低碳奥氏体不锈 钢,具有较好的力学加工和耐腐蚀性能,广泛用于汽 车配件、医疗器械、建筑材料等领域。在这些领域 中,随着工艺化定制需求的日益增长,关于不锈钢 3D打印技术的研究需求也在不断增加。笔者采用 易博三维 公 司 生 产 的IGAM-I型 金 属 3D 打 印 设 备,用SLM 技术对304不锈钢和316L不锈钢进行 快速成型,分析其成型组织的性能特点,为优化不锈 钢的SLM 工艺奠定了基础。
1 试验材料及试验方法
1.1 试验材料的制备
试验材料为304不锈钢和316L不锈钢粉末,粒 径为15μm~53μm,采用IGAM-I型金属3D打印设 备,得到规格(直径×长度)为10mm×15mm 的圆 柱。激光功率为275W,扫描速度为1000mm/s,层 厚为0.05mm,扫描间距为0.08mm。304不锈钢及316L不锈钢的化学成分如表1所示。
1.2 试验方法
将304不锈钢及316L 不锈钢材料3D 打印试 样沿着垂直于打印方向(横向)及打印方向(纵向)进 行切割,用美国标乐制样设备进行加工和磨抛后,用 氯化铁-盐酸溶液对试样进行腐蚀。使用蔡司 M2M 型光学显微镜对试样进行金相检验,用蔡司 EVO MA15型扫描电子显微镜对试样进行分析,同时利 用布鲁克 QUANTTAX400型能谱仪对试样微区进 行分析,观察区域成分的均匀性。
2 试验结果
2.1 金相检验结果
利用光学显微镜观察经过磨抛的试样,发现横 向试样上局部存在孔洞和微裂纹,孔洞和微裂纹分 布不均匀。304不锈钢材料3D 打印试样的孔洞和 裂纹较多,裂纹多为沿晶裂纹,缺陷没有明显的分布 规律;316L不锈钢材料3D 打印试样的横截面几乎 没有明显裂纹,孔洞较少且形状较为圆润,局部位置 有成排分布的趋势,如图1所示。
用光学显微镜观察腐蚀后的不锈钢材料3D 打 印试样,304不锈钢材料3D打印横向试样的组织呈 现横纵交错的编织状结构,局部呈现花纹结构,将花 纹结构放大观察,发现了更微观的编织状结构,整个 截面的编织状结构不均匀。316L 不 锈 钢 材 料 3D 打印横向试样的组织形态与304不锈钢材料3D 打 印横向试样的结构相似,但316L不锈钢材料3D 打 印横向试样编织状结构整体更为均匀,结构更为规 则,两种不锈钢材料3D 打印横向试样腐蚀后的微 观形貌如图2所示。
用光学显微镜观察腐蚀后的316L不锈钢材料 3D打印纵向试样,其纵向截面的孔洞和裂纹也较 少,组织形态呈现鱼鳞状结构,“鳞片”生长方向为 3D打印生长方向的逆方向(见图3)。
2.2 扫描电子显微镜分析结果
用扫描电子显微镜分析304不锈钢及316L 不 锈钢材料横向试样,发现两种材料横纵交错纤维结 构的微观形貌相同,都呈现蜂窝状结构或管型结构,表现出各向异性,316L不锈钢材料3D 打印横向试 样腐蚀后的微观形貌如图4所示。
采用扫描电子显微镜对304不锈钢和316L 不 锈钢两种材料的3D 打印纵向试样进行分析,发现 二者放大后的微观形貌相同,“鳞片”形态在高倍下 呈现蜂窝状结构,316L不锈钢材料3D 打印纵向试 样腐蚀后的微观形貌如图5所示。在同一个微熔池 下可以观察到多个晶粒,而在晶粒中可观察到多个 存在各向异性的亚晶胞。由于其各向异性,有些亚晶胞在截面上呈现近等轴状的胞状结构,有些亚晶 胞则呈现类豆荚状的柱状结构。
利用能谱仪对316L 不锈钢材料3D 打印横向 试样的微区进行分析,发现试样的成分基本均匀,无 局部元素偏聚及二次相析出,其能谱分析结果如图 6所示。
2.3 硬度测试结果
用布氏硬度计对304不锈钢和316L 不锈钢材 料3D打印试样分别进行宏观硬度测量,结果如表2 所示。304不锈钢材料3D打印试样比316L不锈钢 材料3D打印试样的硬度低,但均在标准范围内。
2.4 力学性能测试结果
对316L不锈钢材料3D 打印试样和普通316L 不锈钢试样分别进行拉伸试验,结果如表3所示,由 表3可知,用3D打印技术制备的316L不锈钢材料 试样的力学性能比普通316L 不锈钢材料试样的屈 服强度和抗拉强度都大,伸长率也有所增大。
3 综合分析
不锈钢材料3D打印横向试样编织状的层叠形 貌明显,许多位置的编织状纤维部分形貌光滑、结构 连贯、形态均匀。原材料颗粒在逐层快速高温熔融后的快速冷却堆积过程中,后沉积层在高温沉积时 放出的热量传递给前沉积层,这种反复微区热处理 必然会对前沉积层产生影响,而出现工件不同区域 的组织不均[3-4]。
纵向试样上的鱼鳞状结构特点说明大量金属颗 粒经过激光轰击熔化后,处在短暂熔融期的金属小液 滴在重力作用下有向下滴落的运动趋势,其迅速凝固 后,保留了这一特点,所以每一熔积层结构的下端会 有近圆形的形貌呈现出来,凝固后的纵向试样存在明 显的各向异性,最终形成了类似鱼鳞状的形态[5-6]。
在相同工艺下,316L不锈钢材料3D打印试样明 显比304不锈钢材料3D打印试样的致密性更好,缺 陷和孔洞更少,均匀性更佳,同时也说明316L不锈钢 材料3D打印试样不同位置的硬度较为均匀。这是因 为添加的钼元素使其淬透性更强,有利于3D打印过 程中快速成型,且具有回火稳定性,对于钢的延展性 和耐磨性具有正向作用[7],可提高钢的热强度。最终 成型的316L不锈钢材料3D打印试样的综合性能优 于304不锈钢材料3D打印试样。
4 结语
(1)SLM 打印技术可得到结构致密且均匀、力 学性能良好的定制化材料,该工艺制得的材料具有 较好的轴向均匀性,同时存在生长方向的各向异性。
(2)304不锈钢和316L不锈钢在相同的3D 打 印工艺下,316L不锈钢材料试样的组织结构更为均 匀,缺陷更少,硬度略高,其综合性能更优。
(3)不同不锈钢材料需要选取不同的3D 打印 工艺,上述工艺较适合316L不锈钢材料。
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