分享：增材制造不锈钢的组织和性能
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 **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。