摘 要:采用金相檢驗、掃描電鏡分析等方法對激光融化技術制備的304及316L不銹鋼進行分 析。結果表明:材料的軸向結構在增材制造沉積過程中會有不同層間的熱傳遞,其組織的均勻性受 到影響;材料的區(qū)域成分沒有明顯偏差,不存在成分偏析及次相的析出;熔體的重力作用會使材料 在縱向存在各向異性。 

關鍵詞:增材制造;不銹鋼;顯微組織;性能 

中圖分類號:TG115.21                                        文獻標志碼:A                                           文章編號:1001-4012(2022)06-0046-04

增材制造(3D 打印)技術屬于快速成型生產技 術,在對工件進行數字模型構建的基礎上,采用3D 打印設備將樹脂或塑料進行熔融、燒結等,再通過逐 層成型來完成精密成型制造。該技術具有定制化的 特點,廣泛應用于航空航天、軍事機械、人造骨骼、土 木工程模具、飾品生產等領域。其中,選擇性激光融 化技術(SLM 技術)是利用金屬粉末在高能激光束 熱源的作用下完全熔化,經散熱凝固后與基體金屬 冶金焊合,再逐層累積成型的一種金屬3D 打印技 術,目前已成為金屬精密成型領域重要的前沿技術 之一[1-2]。 

304不銹鋼和316L 不銹鋼是低碳奧氏體不銹 鋼,具有較好的力學加工和耐腐蝕性能,廣泛用于汽 車配件、醫(yī)療器械、建筑材料等領域。在這些領域 中,隨著工藝化定制需求的日益增長,關于不銹鋼 3D打印技術的研究需求也在不斷增加。筆者采用 **三維 公 司 生 產 的IGAM-I型 金 屬 3D 打 印 設 備,用SLM 技術對304不銹鋼和316L不銹鋼進行 快速成型,分析其成型組織的性能特點,為優(yōu)化不銹 鋼的SLM 工藝奠定了基礎。 

1 試驗材料及試驗方法 

1.1 試驗材料的制備

試驗材料為304不銹鋼和316L不銹鋼粉末,粒 徑為15μm~53μm,采用IGAM-I型金屬3D打印設 備,得到規(guī)格(直徑×長度)為10mm×15mm 的圓 柱。激光功率為275W,掃描速度為1000mm/s,層 厚為0.05mm,掃描間距為0.08mm。304不銹鋼及316L不銹鋼的化學成分如表1所示。

1.2 試驗方法 

將304不銹鋼及316L 不銹鋼材料3D 打印試 樣沿著垂直于打印方向(橫向)及打印方向(縱向)進 行切割,用美國標樂制樣設備進行加工和磨拋后,用 氯化鐵-鹽酸溶液對試樣進行腐蝕。使用蔡司 M2M 型光學顯微鏡對試樣進行金相檢驗,用蔡司 EVO MA15型掃描電子顯微鏡對試樣進行分析,同時利 用布魯克 QUANTTAX400型能譜儀對試樣微區(qū)進 行分析,觀察區(qū)域成分的均勻性。

2 試驗結果 

2.1 金相檢驗結果 

利用光學顯微鏡觀察經過磨拋的試樣,發(fā)現(xiàn)橫 向試樣上局部存在孔洞和微裂紋,孔洞和微裂紋分 布不均勻。304不銹鋼材料3D 打印試樣的孔洞和 裂紋較多,裂紋多為沿晶裂紋,缺陷沒有明顯的分布 規(guī)律;316L不銹鋼材料3D 打印試樣的橫截面幾乎 沒有明顯裂紋,孔洞較少且形狀較為圓潤,局部位置 有成排分布的趨勢,如圖1所示。

用光學顯微鏡觀察腐蝕后的不銹鋼材料3D 打 印試樣,304不銹鋼材料3D打印橫向試樣的組織呈 現(xiàn)橫縱交錯的編織狀結構,局部呈現(xiàn)花紋結構,將花 紋結構放大觀察,發(fā)現(xiàn)了更微觀的編織狀結構,整個 截面的編織狀結構不均勻。316L 不 銹 鋼 材 料 3D 打印橫向試樣的組織形態(tài)與304不銹鋼材料3D 打 印橫向試樣的結構相似,但316L不銹鋼材料3D 打 印橫向試樣編織狀結構整體更為均勻,結構更為規(guī) 則,兩種不銹鋼材料3D 打印橫向試樣腐蝕后的微 觀形貌如圖2所示。 

用光學顯微鏡觀察腐蝕后的316L不銹鋼材料 3D打印縱向試樣,其縱向截面的孔洞和裂紋也較 少,組織形態(tài)呈現(xiàn)魚鱗狀結構,“鱗片”生長方向為 3D打印生長方向的逆方向(見圖3)。 

2.2 掃描電子顯微鏡分析結果 

用掃描電子顯微鏡分析304不銹鋼及316L 不 銹鋼材料橫向試樣,發(fā)現(xiàn)兩種材料橫縱交錯纖維結 構的微觀形貌相同,都呈現(xiàn)蜂窩狀結構或管型結構,表現(xiàn)出各向異性,316L不銹鋼材料3D 打印橫向試 樣腐蝕后的微觀形貌如圖4所示。

采用掃描電子顯微鏡對304不銹鋼和316L 不 銹鋼兩種材料的3D 打印縱向試樣進行分析,發(fā)現(xiàn) 二者放大后的微觀形貌相同,“鱗片”形態(tài)在高倍下 呈現(xiàn)蜂窩狀結構,316L不銹鋼材料3D 打印縱向試 樣腐蝕后的微觀形貌如圖5所示。在同一個微熔池 下可以觀察到多個晶粒,而在晶粒中可觀察到多個 存在各向異性的亞晶胞。由于其各向異性,有些亞晶胞在截面上呈現(xiàn)近等軸狀的胞狀結構,有些亞晶 胞則呈現(xiàn)類豆莢狀的柱狀結構。

利用能譜儀對316L 不銹鋼材料3D 打印橫向 試樣的微區(qū)進行分析,發(fā)現(xiàn)試樣的成分基本均勻,無 局部元素偏聚及二次相析出,其能譜分析結果如圖 6所示。 

2.3 硬度測試結果 

用布氏硬度計對304不銹鋼和316L 不銹鋼材 料3D打印試樣分別進行宏觀硬度測量,結果如表2 所示。304不銹鋼材料3D打印試樣比316L不銹鋼 材料3D打印試樣的硬度低,但均在標準范圍內。

2.4 力學性能測試結果 

對316L不銹鋼材料3D 打印試樣和普通316L 不銹鋼試樣分別進行拉伸試驗,結果如表3所示,由 表3可知,用3D打印技術制備的316L不銹鋼材料 試樣的力學性能比普通316L 不銹鋼材料試樣的屈 服強度和抗拉強度都大,伸長率也有所增大。

3 綜合分析 

不銹鋼材料3D打印橫向試樣編織狀的層疊形 貌明顯,許多位置的編織狀纖維部分形貌光滑、結構 連貫、形態(tài)均勻。原材料顆粒在逐層快速高溫熔融后的快速冷卻堆積過程中,后沉積層在高溫沉積時 放出的熱量傳遞給前沉積層,這種反復微區(qū)熱處理 必然會對前沉積層產生影響,而出現(xiàn)工件不同區(qū)域 的組織不均[3-4]。

縱向試樣上的魚鱗狀結構特點說明大量金屬顆 粒經過激光轟擊熔化后,處在短暫熔融期的金屬小液 滴在重力作用下有向下滴落的運動趨勢,其迅速凝固 后,保留了這一特點,所以每一熔積層結構的下端會 有近圓形的形貌呈現(xiàn)出來,凝固后的縱向試樣存在明 顯的各向異性,最終形成了類似魚鱗狀的形態(tài)[5-6]。

在相同工藝下,316L不銹鋼材料3D打印試樣明 顯比304不銹鋼材料3D打印試樣的致密性更好,缺 陷和孔洞更少,均勻性更佳,同時也說明316L不銹鋼 材料3D打印試樣不同位置的硬度較為均勻。這是因 為添加的鉬元素使其淬透性更強,有利于3D打印過 程中快速成型,且具有回火穩(wěn)定性,對于鋼的延展性 和耐磨性具有正向作用[7],可提高鋼的熱強度。最終 成型的316L不銹鋼材料3D打印試樣的綜合性能優(yōu) 于304不銹鋼材料3D打印試樣。 

4 結語 

(1)SLM 打印技術可得到結構致密且均勻、力 學性能良好的定制化材料,該工藝制得的材料具有 較好的軸向均勻性,同時存在生長方向的各向異性。 

(2)304不銹鋼和316L不銹鋼在相同的3D 打 印工藝下,316L不銹鋼材料試樣的組織結構更為均 勻,缺陷更少,硬度略高,其綜合性能更優(yōu)。 

(3)不同不銹鋼材料需要選取不同的3D 打印 工藝,上述工藝較適合316L不銹鋼材料。 

參考文獻: 

[1] 田杰,黃正華,戚文軍,等.金屬選區(qū)激光熔化的研究 現(xiàn)狀[J].材料導報,2017,31(5):90-91. 

[2] 李勇,巴 發(fā) 海,許 鶴 君.3D 打 印 技 術 的 發(fā) 展 和 挑 戰(zhàn) [J].理化檢驗(物理分冊),2018,54(11):799-804. 

[3] 尹燕,劉鵬宇,路超,等.選區(qū)激光熔化成型316L不銹 鋼微觀組織及拉伸性能分析[J].焊接學報,2018,39 (8):77-81. 

[4] 余晨帆,趙聰聰,張哲峰,等.選區(qū)激光熔化316L不銹 鋼的拉伸性能[J].金屬學報,2020,56(5):683-692. 

[5] 彭小敏,徐若,李敖,等.工藝參數對316L不銹鋼選區(qū) 激光熔化成型組織性能的影響[J].湖南工程學院學 報(自然科學版),2019(4):26-32. 

[6] CASATIR,LEMKEJ,VEDANIM.Microstructure andfracturebehaviorof316Lausteniticstainlesssteel producedbyselectivelaser melting[J].Journalof MaterialsScience & Technology,2016,32(8):738- 744. 

[7] 蔡新榮,韋生,呂增,等.304/304L 和 316/316L 奧氏 體不銹鋼焊接性能的對比與分析[J].鋼結構,2012, 27(增刊1):366-369.

<文章來源   >材料與測試網 > 期刊論文 > 理化檢驗－物理分冊 > 58卷 > 6期 (pp:46-49)>