选区激光熔化316L不锈钢工艺、组织及断裂性能研究

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选区激光熔化(Selective Laser Melting,SLM)是当今增材制造中的主流技术之一,它的设计自由度极高,可以成型对于传统加工方法无法完成的各种复杂结构,并且SLM零件具有较好的精度和性能,不需要进行后处理,适合单件和小批量产品制造。然而,选区激光熔化的快速原型制造特点导致成型过程中存在极大的热梯度和极高的冷却速率,不适当的工艺参数会导致SLM零件存在大量的缺陷,这些缺陷极大的影响成型件的性能。断裂是最常见的失效形式之一,特别是在含有缺陷的关键零件中,突然断裂将造成很严重的后果,因此有必要研究选区激光熔化技术成型件的断裂性能。本文以316L不锈钢为原材料制备紧凑拉伸试样,设计正交实验研究工艺参数(激光功率、扫描速度、铺粉厚度及扫描策略)对SLM 316L不锈钢试样的断裂性能的影响,并对SLM试样的缺陷、微观组织及断口形貌进行分析。主要研究结论如下:通过拉伸实验以及数字图像相关技术得到载荷与断裂参量裂纹张开位移的关系。在当前选定的参数范围内,与传统加工的316L不锈钢件相比,大多数SLM成型件在相同载荷下显示出更大的断裂载荷和更小的裂纹张开位移,表明断裂性能增强。通过正交实验的极差和方差分析结果表明:工艺参数对SLM成型316L不锈钢件断裂性能的影响遵循激光功率、层厚、扫描策略和扫描速度的顺序,且激光功率为200W、扫描速度为500mm/s、层厚为0.03mm、平行扫描策略的工艺参数下获得了最佳断裂性能。利用扫描电镜对SLM 316L不锈钢件的表面形貌、内部缺陷、微观组织以及断口形貌进行分析,分析表明:熔道的成型与搭接质量主要跟能量输入密度有关,因为其影响着熔池内流体的表面张力和润湿能力;成型件内的缺陷主要有气孔和未完全熔合的缺陷,并且缺陷的含量跟其断裂性能呈正相关;SLM 316L不锈钢成型件的晶粒主要以柱状枝晶为主,柱状枝晶存在外延生长现象,并且熔池内的晶粒生长方向是复杂的,主要跟晶体取向和局部的热流方向有关,在高倍的扫描电镜下,还发现了传统加工件不存在的亚微米级别的亚结构,主要是条柱状和蜂窝状,它们其实是一种结构在不同角度的形态,调控工艺参数使两者交叉存在可以有效的降低成型件的各向异性;在成型件存在少量缺陷时,微观亚结构的晶粒大小可以作为断裂性能的评估依据,微观亚结构的晶粒尺寸越小,成型件的断裂性能越好。SLM 316L不锈钢成型件断口有明显的缩颈现象且断口表面存在着大大小小的韧窝,还存在少量的解理台阶,表明断裂是韧性断裂和脆性断裂的混合断裂或穿晶断裂,另外对于断裂性能差的试样表面均存在大量的缺陷。
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