張 璇, 董安平,2*, 杜大帆*,潘云煒, 熊良華,孔 源,孫寶德,2

（1．上海交通大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院 上海市先進(jìn)高溫材料及其精密成型重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 上海 200240；2．上海交通大學(xué)金屬基復(fù)合材料國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 上海 200240）

GH3536（Hastelloy X）是一種典型的固溶強(qiáng)化型鎳基高溫合金，具有良好的高溫力學(xué)性能、抗氧化性、耐腐蝕性和熱加工成形性，常被用于制造高溫氣冷堆的熱交換器、航空發(fā)動機(jī)燃燒室等高溫零部件[1-2]。隨著現(xiàn)代航空工業(yè)的不斷發(fā)展，對高強(qiáng)、高推重比和高可靠性航空發(fā)動機(jī)的追求促使航空發(fā)動機(jī)逐漸向輕量化、復(fù)雜化和整體化方向發(fā)展，傳統(tǒng)鑄造、鍛造及粉末冶金等制造工藝已經(jīng)無法滿足現(xiàn)代航空工業(yè)的需求。與傳統(tǒng)的“減法制造”思路相反，增材制造技術(shù)通過“加法制造”可將材料連點(diǎn)成線、連線成面、連面成體，實(shí)現(xiàn)了從原材料到復(fù)雜零件直接一次成形，自問世以來便取得迅速發(fā)展[3]。

選區(qū)激光熔化（selective laser melting，SLM）是一種高效、精密、低成本的金屬增材制造技術(shù)，其原理是通過高能激光束逐層掃描金屬粉材使其完全熔化并發(fā)生冶金結(jié)合，與此同時輔助循環(huán)鋪粉動作從而實(shí)現(xiàn)零件“自下而上”逐層成形，十分適合航空發(fā)動機(jī)內(nèi)部復(fù)雜零件的加工成形，大大縮短了航空發(fā)動機(jī)的研發(fā)周期，目前已成功用于制造航空發(fā)動機(jī)燃油噴嘴[4-5]。為了得到致密度高、表面質(zhì)量好且力學(xué)性能優(yōu)異的零件，國內(nèi)外學(xué)者開展了大量關(guān)于SLM 工藝參數(shù)的研究，Esmaeilizadeh 等[6]研究了掃描速度對SLM 成形Hastelloy X 合金的影響，結(jié)果表明，當(dāng)掃描速度過快時由于能量輸入不足會出現(xiàn)許多未熔缺陷，反之則因?yàn)槟芰枯斎脒^多導(dǎo)致熔化金屬蒸發(fā)從而產(chǎn)生較大的匙孔缺陷；Promoppatum 等[7]研究了激光功率和掃描速度兩個參數(shù)對未熔缺陷、球化效應(yīng)和匙孔三類加工缺陷的影響，并據(jù)此構(gòu)建了Ti-6Al-4V 合金SLM 加工工藝窗口；徐錦崗等[8]和Kempen 等[9]在研究SLM成形工藝參數(shù)對材料組織和性能的影響時，也給出了一個優(yōu)化的加工工藝參數(shù)范圍。目前，大多數(shù)研究主要依據(jù)成形試樣的致密度和缺陷分布來確定SLM 加工工藝窗口，由于在加工窗口范圍內(nèi)試樣的致密度及缺陷分布并沒有太大的差異[10-12]，因此以何種標(biāo)準(zhǔn)從加工窗口中選出最合適的成形參數(shù)仍有待進(jìn)一步研究與討論。

本實(shí)驗(yàn)以GH3536 高溫合金為研究對象，系統(tǒng)分析激光功率和掃描速度對SLM 成形試樣密度、缺陷尺寸分布以及表面質(zhì)量的影響，把密度高、缺陷少、飛濺小作為成形質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)密度測量結(jié)果和缺陷觀察結(jié)果確定GH3536 高溫合金SLM 加工窗口，進(jìn)一步通過表面飛濺統(tǒng)計(jì)結(jié)果確定最佳成形參數(shù)，還對最佳參數(shù)成形試樣進(jìn)行室溫拉伸性能測試，實(shí)驗(yàn)研究為優(yōu)化和選擇 SLM 成形工藝參數(shù)提供了依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)材料及方法

實(shí)驗(yàn)材料為寧波眾遠(yuǎn)新材料有限公司提供的氣霧化GH3536 高溫合金粉末，其化學(xué)成分見表1。采用VEGA 3 型掃描電子顯微鏡（SEM）對合金粉末進(jìn)行形貌表征，從圖1（a）中可以看出粉末基本上為球形顆粒，此外也存在少量不規(guī)則形狀粉末（黃色箭頭標(biāo)出）和行星粉末（藍(lán)色箭頭標(biāo)出）。通過S3500 激光粒度分析儀對粉末的粒度分布進(jìn)行測量，如圖1（b）所示，可知實(shí)驗(yàn)所用粉末粒徑主要集中在15～55 μm，符合SLM 生產(chǎn)要求。

表1 GH3536 高溫合金粉末化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%）Table 1 Chemical composition of GH3536 superalloy powder（mass fraction/%）

實(shí)驗(yàn)所用的SLM 成形設(shè)備為TruPrint 1000 SLM 設(shè)備，為了防止加工過程中發(fā)生氧化現(xiàn)象，整個制造過程均在氬氣保護(hù)下進(jìn)行。實(shí)驗(yàn)共設(shè)置了20 組不同的工藝參數(shù)（表2），其中掃描間距和鋪粉厚度固定，激光功率在100～175 W 范圍內(nèi)取值，掃描速度在300 ～900 mm/s 范圍內(nèi)取值，根據(jù)這四個參數(shù)可以計(jì)算出成形時輸入的激光能量密度E（J/mm3）[13]：

式中：P為激光功率，W；v為掃描速度，mm/s；h為掃描間距，mm；t為鋪粉厚度，mm。激光能量密度計(jì)算結(jié)果見表2。

表2 SLM 成形工藝參數(shù)Table 2 Process parameters of SLM technology

用于工藝參數(shù)優(yōu)化的SLM 成形試樣尺寸為10 mm×10 mm×10 mm（圖2（a）），成形時采用層間旋轉(zhuǎn)67°蛇形掃描策略，每次掃描結(jié)束后需再進(jìn)行外輪廓掃描（圖2（b）），將成形后GH3536 塊狀試樣從基板上切下來，并用超聲波清洗儀洗干凈。利用XF-120S 多功能電子固體密度計(jì)測量不同工藝參數(shù)條件下成形試樣的密度，每個試樣需測量四次，結(jié)果取平均值；采用VEGA 3 型掃描電子顯微鏡（SEM）觀察試樣的表面熔道形貌；采用Olympus光學(xué)顯微鏡（OM）對打磨、拋光后試樣的橫截面（垂直于沉積方向）進(jìn)行缺陷分析；采用JSM-7800F 型掃描電子顯微鏡（SEM）觀察成形試樣的微觀組織，觀察前用王水（鹽酸和硝酸體積3∶1）對試樣進(jìn)行腐蝕。選擇最佳成形工藝參數(shù)打印長方體塊狀試樣，并將其切成垂直于沉積方向的片狀拉伸試樣，切樣示意圖和拉伸試樣尺寸分別如圖2（c）和（d）所示，采用Zwick/Roell Z100 萬能試驗(yàn)機(jī)對沉積態(tài)試樣進(jìn)行室溫拉伸性能測試，應(yīng)變速率為10-3s-1，共測三次，拉伸結(jié)果取平均值。

2 結(jié)果與討論

2.1 工藝參數(shù)對密度的影響

通過調(diào)整激光功率和掃描速度兩個參數(shù)得到成形激光能量密度在46.3～243.1 J/mm3范圍內(nèi)變化的試樣，圖3 為成形試樣密度隨輸入激光能量密度的變化。利用JMatPro 軟件計(jì)算得出實(shí)驗(yàn)所用GH3536 高溫合金室溫密度為8.46 g/cm3。通常來說在合理工藝參數(shù)條件下成形的SLM 試樣致密度普遍能達(dá)到98%以上[14]，經(jīng)計(jì)算可知當(dāng)成形試樣密度大于8.30 g/cm3時，其致密度可達(dá)98 %以上，因此將8.30 g/cm3作為判斷成形試樣質(zhì)量好壞的標(biāo)準(zhǔn)值。從圖3 可以看出，當(dāng)激光能量密度小于57.0 J/mm3時，成形試樣的密度遠(yuǎn)低于密度標(biāo)準(zhǔn)值，試樣的密度隨激光能量密度的增加得到顯著提高；當(dāng)激光能量密度介于57.0～187.0 J/mm3時，成形試樣的密度高于密度標(biāo)準(zhǔn)值，隨激光能量密度的增加，試樣密度在8.30～8.35 g/cm3范圍內(nèi)波動，激光能量密度對成形試樣密度并無太大影響；當(dāng)激光能量密度大于187.0 J/mm3時，試樣密度有所降低且略低于密度標(biāo)準(zhǔn)值，由此可見激光能量直接影響成形試樣的密度。

2.2 工藝參數(shù)對顯微缺陷的影響

圖4 為不同工藝參數(shù)條件下成形的GH3536試樣橫截面金相照片。從圖4 可以看出，在所有成形試樣中都存在不同程度的顯微缺陷，實(shí)際上缺陷是導(dǎo)致材料不完全致密化的根本原因，接下來將對不同參數(shù)條件下成形試樣的顯微缺陷進(jìn)行分析，進(jìn)一步揭示“工藝參數(shù)-顯微缺陷-材料密度”三者之間的聯(lián)系。

在所有成形試樣中，100-900 試樣（圖4（d-1））和120-900 試樣（圖4（d-2））中存在大量不規(guī)則孔洞缺陷，該缺陷無論是數(shù)量還是尺寸都明顯高于其他試樣，對應(yīng)圖3 可知，這兩個試樣成形時的激光能量密度較小，根據(jù)文獻(xiàn)報道[7]，當(dāng)激光功率低、掃描速度快時，會導(dǎo)致成形試樣中出現(xiàn)異常加工缺陷，這種缺陷通常被稱為未熔缺陷（圖4（d-1））。在SLM 生產(chǎn)過程中，輸入的激光能量直接決定了粉末的熔化程度、金屬液的黏度以及金屬液與基體之間的潤濕程度，當(dāng)激光能量密度較低時，輸入的激光能量不足以使全部金屬粉末完全熔化，熔化后金屬液黏度大、流動性差，只有部分金屬液之間能夠發(fā)生冶金結(jié)合，因此成形后試樣內(nèi)部存在形狀不規(guī)則的未熔缺陷[15]。在900 mm/s 掃描速度下，當(dāng)激光功率從100 W 增加到160 W 時，試樣內(nèi)部的未熔缺陷數(shù)量逐漸減少，直至175 W 時未熔缺陷完全消失，此外在100-700 試樣（圖4（c-1））中也觀察到少量未熔缺陷，未熔缺陷的存在對材料的力學(xué)性能存在較大危害，在材料受力變形過程中，在未熔缺陷邊緣尖端處極易產(chǎn)生應(yīng)力集中，促進(jìn)裂紋的萌生和擴(kuò)展，加快材料的破壞和失效[10]。由表2 可知，這些包含未熔缺陷的試樣都是在低功率、高掃速條件下加工成形的，成形時輸入的激光能量密度較低，說明輸入激光能量過低并不利于SLM 成形。

通過觀察不同工藝參數(shù)下成形試樣的橫截面顯微照片可以發(fā)現(xiàn)，隨著輸入激光能量的增加，試樣中的未熔缺陷逐漸減少，最終完全消失，但與此同時，試樣中出現(xiàn)了分布均勻的氣孔和微裂紋缺陷（圖4（a-1））。氣孔是所有材料SLM 成形過程中不可避免的一種缺陷，在極快的凝固速度條件下，一些溶解在熔池內(nèi)的氣體無法從熔池表面逸出，最終被截留在金屬固體中成為氣孔缺陷，這些氣體通常有兩種來源：一方面來源于生產(chǎn)艙內(nèi)存在的惰性保護(hù)氣體，這些氣體在金屬熔體中具有一定的溶解度；另一方面由于激光器能量呈高斯態(tài)分布，激光中心處能量密度極高，這將導(dǎo)致少量金屬液體蒸發(fā)并產(chǎn)生金屬蒸汽[16-17]。曾有研究表明熱應(yīng)力是導(dǎo)致激光增材制造零件產(chǎn)生裂紋的主要原因之一，在SLM 生產(chǎn)過程中由于試樣整體的溫度分布不均勻，材料不同部位之間存在膨脹收縮差異，這將導(dǎo)致熱應(yīng)力的產(chǎn)生，當(dāng)累積的熱應(yīng)力超過材料強(qiáng)度時就會在試樣內(nèi)部產(chǎn)生微裂紋[18]。通過對比不同試樣的橫截面缺陷可知，致密度較高的試樣內(nèi)部均含有大量微裂紋缺陷，而由于激光能量輸入不足導(dǎo)致致密度較低的試樣中微裂紋數(shù)量極少，尤其在100-900 試樣內(nèi)部幾乎沒有微裂紋，這是因?yàn)樵嚇觾?nèi)部存在的未熔缺陷給金屬受熱膨脹和凝固收縮提供了足夠的空間，試樣內(nèi)部不易產(chǎn)生和積累熱應(yīng)力，因此也不易產(chǎn)生微裂紋，由此可見熱應(yīng)力是造成SLM 成形GH3536 合金內(nèi)部微裂紋產(chǎn)生的主要原因。金相照片顯示140-300（圖4（a-3））、160-300（圖4（a-4））和175-300（圖4（a-5））試樣內(nèi)部微裂紋數(shù)量明顯高于其他試樣，對應(yīng)圖3 可知，這三個試樣成形時的激光能量密度較高，成形時輸入的激光能量越多，熔池內(nèi)部溫度梯度越高，凝固后的殘余熱應(yīng)力越大，因此成形試樣中包含的微裂紋數(shù)量也相應(yīng)增加。和未熔缺陷相比，微裂紋的體積較小，因此在高激光能量密度下成形的試樣密度略低于8.30 g/cm3，說明輸入激光能量過高也不利于SLM 成形。

2.3 工藝參數(shù)對表面質(zhì)量的影響

圖5 為SLM 成形試樣表面SEM 照片。根據(jù)試樣的表面形貌也可以判斷出成形過程中輸入的激光能量是否充足。圖5 中激光體能量密度最低的100-900（圖5（d-1））和120-900（圖5（d-2））兩試樣的相鄰熔道間明顯搭接不足，在熔道間隨機(jī)地產(chǎn)生了大量凹陷孔洞，此外在100-700（圖5（c-1））、120-700（圖5（c-2））、140-900（圖5（d-3））和160-900（圖5（d-4））試樣表面也發(fā)現(xiàn)了少量的凹陷孔洞，這說明即使輸入的激光體能量密度高達(dá)74.1 J/mm3（160-900 試樣）也不足以使金屬粉末完全熔化。綜合考慮密度測量結(jié)果、橫截面顯微缺陷觀察結(jié)果以及表面質(zhì)量結(jié)果，可將SLM 成形GH3536 高溫合金的激光體能量密度范圍縮小在80.0～180.0 J/mm3范圍內(nèi)。

從圖5 還可以看出，在所有成形試樣表面黏附了一些球形或近球形顆粒，這些顆粒常被稱作飛濺（圖5(a-1)黃色圓圈標(biāo)出）。飛濺是金屬粉末SLM 成形過程中不可避免的一種現(xiàn)象，由于激光束能量呈高斯分布，當(dāng)激光照射到金屬粉末的瞬間將有少部分金屬液體蒸發(fā)呈氣體，與此同時，熔池內(nèi)金屬液體在馬朗戈尼效應(yīng)的作用下將朝著與激光束移動方向相反的方向流動，由金屬蒸汽帶來的反沖力將使一部分金屬液向空中噴射，最終形成飛濺液滴并落在已凝固的金屬基體上，許多研究者都認(rèn)為落在基體上的飛濺會造成零件內(nèi)部的不規(guī)則缺陷，不利于材料SLM 成形[19-21]。這些飛濺按照尺寸可分為兩類，一類為直徑小于鋪粉厚度的飛濺，另一類為直徑大于鋪粉厚度的飛濺，一般小尺寸飛濺不會給后續(xù)加工成形帶來任何障礙，然而由于固體金屬飛濺的激光吸收率遠(yuǎn)低于金屬粉末的激光吸收率，熔化大尺寸飛濺所需的能量遠(yuǎn)高于實(shí)驗(yàn)設(shè)定的激光能量密度，一些大尺寸飛濺無法完全熔化，與此同時還會阻礙激光熔化其周圍的粉末，進(jìn)而造成不規(guī)則孔洞缺陷[22-23]。

考慮到飛濺對SLM 成形質(zhì)量的影響，對圖中成形激光體能量密度介于80.0～180.0 J/mm3試樣的飛濺數(shù)量和尺寸進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，并據(jù)此選出SLM 成形GH3536 高溫合金的最佳工藝參數(shù)。由于本實(shí)驗(yàn)中鋪粉厚度統(tǒng)一設(shè)為20 μm，根據(jù)上述分析可判定當(dāng)飛濺尺寸大于20 μm 時有極大可能性在試樣內(nèi)部產(chǎn)生孔洞缺陷，因此只對尺寸大于20 μm 的飛濺進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)果見表3。通過分析可知，低功率下成形的100-300、100-500 和120-500 三個試樣表面黏附的飛濺數(shù)量較多，且其中尺寸超過20 μm 的飛濺所占比例較高，這說明這三個試樣包含大尺寸飛濺的數(shù)目比其他試樣更多，產(chǎn)生不規(guī)則孔洞缺陷的概率更大；高功率下成形175-900 試樣雖然表面黏附的飛濺數(shù)量較少，但成形試樣表面平整度最差，這說明熔化時金屬液與基底之間的潤濕性較差，成形過程中不規(guī)則缺陷產(chǎn)生的概率將有所增加；在其他條件下成形的試樣表面飛濺總數(shù)介于30～50 之間，較少的飛濺數(shù)量有利于提高材料的成形質(zhì)量，經(jīng)對比發(fā)現(xiàn)175-700 試樣表面飛濺總數(shù)較少且尺大于20 μm 的飛濺占比最小，因此選擇激光功率175 W、掃描速度700 mm/s 作為最佳工藝參數(shù)。

表3 成形試樣表面飛濺顆粒統(tǒng)計(jì)結(jié)果Table 3 Statistical results of spatters on the surface of formed samples

2.4 室溫拉伸性能測試

目前，由于SLM 成形時選用的工藝參數(shù)、粉末成分以及成形設(shè)備有所不同，國內(nèi)外文獻(xiàn)報道的打印態(tài)GH3536 合金的室溫拉伸性能也存在差異，通過總結(jié)不同文獻(xiàn)給出的數(shù)據(jù)可知，經(jīng)SLM 成形的GH3536 合金其屈服強(qiáng)度介于450～800 MPa、抗拉強(qiáng)度介于650～915 MPa、伸長率介于9 %～45 %[24-27]。對參數(shù)優(yōu)化后的成形試樣（激光功率175 W、掃描速度700 mm/s）進(jìn)行室溫拉伸性能測試，圖6 為三次測試后得到的工程應(yīng)力-應(yīng)變曲線。從圖6 可以看出，實(shí)驗(yàn)整體重復(fù)性較好，經(jīng)SLM 成形GH3536合金試樣沿水平方向拉伸時平均屈服強(qiáng)度（σs）為668.0 MPa、平均抗拉強(qiáng)度（σb）為841.3 MPa、平均伸長率（ε）為25.8 %。與現(xiàn)有文獻(xiàn)數(shù)據(jù)相比，本實(shí)驗(yàn)工藝參數(shù)優(yōu)化后GH3536 合金強(qiáng)度和塑性處于中間水平，一定程度上實(shí)現(xiàn)了強(qiáng)度和塑性的良好匹配。

根據(jù)HB 5497—1992 鍛件標(biāo)準(zhǔn)要求GH3536高溫合金的屈服強(qiáng)度不小于275 MPa，抗拉強(qiáng)度不小于690 MPa，伸長率不小于30%，將本實(shí)驗(yàn)得到的拉伸性能與該標(biāo)準(zhǔn)對比可知，經(jīng)SLM 成形的GH3536 合金強(qiáng)度遠(yuǎn)超出了材料的鍛件標(biāo)準(zhǔn)，但其塑性略低于鍛件最低標(biāo)準(zhǔn)值。通過對試樣顯微缺陷（圖7 (a)）和微觀組織（圖7 (b)）進(jìn)行觀察發(fā)現(xiàn)，打印態(tài)試樣中存在較多裂紋缺陷，裂紋的存在將加速材料的斷裂，因此其伸長率較低；從試樣的顯微組織中可以觀察到大量胞狀亞晶和柱狀亞晶，這些亞晶組織主要由位錯胞所構(gòu)成，亞晶界存在的位錯網(wǎng)絡(luò)可以阻礙位錯運(yùn)動，從而提高了材料強(qiáng)度[28]。綜合來看，采用175 W、700 mm/s 參數(shù)可以得到綜合力學(xué)性能良好的GH3536 高溫合金試樣。

3 結(jié)論

（1）在SLM 成形過程中，輸入的激光能量密度對成形試樣的影響很大。當(dāng)激光體能量密度小于57 J/mm3時，成形試樣密度低，試樣密度隨體能量密度的增加發(fā)生明顯增大；當(dāng)激光體能量密度介于57～187 J/mm3時，成形試樣密度高且不會隨體能量密度的增加發(fā)生太大變化；當(dāng)激光能量密度大于187 J/mm3時，成形試樣的密度又會略微降低。

（2）通過橫截面顯微缺陷分析可知缺陷是造成試樣不完全致密化的直接因素，當(dāng)輸入激光能量不足時，由于激光能量無法使所有的金屬粉末完全熔化，試樣內(nèi)部充滿了大尺寸、不規(guī)則的孔洞缺陷；當(dāng)輸入激光能量充足甚至過高時，殘余熱應(yīng)力的存在導(dǎo)致試樣中出現(xiàn)了分布均勻的微裂紋缺陷。

（3）試樣表面黏附的金屬飛濺也會致使材料內(nèi)部不規(guī)則缺陷的產(chǎn)生，通過統(tǒng)計(jì)飛濺的數(shù)量和飛濺尺寸占比確定了SLM 成形GH3536 高溫合金的最佳工藝參數(shù)為激光功率175 W、掃描速度700 mm/s。經(jīng)過室溫拉伸測試可知該參數(shù)下成形試樣的屈服強(qiáng)度為668.0 MPa、抗拉強(qiáng)度為841.3 MPa、伸長率為25.8 %，強(qiáng)度遠(yuǎn)高于HB 5497—1992 鍛件標(biāo)準(zhǔn)，塑性略低于HB 5497—1992 鍛件最低標(biāo)準(zhǔn)值。