賀義峰，李 笑，孫振忠

（1.廣東工業(yè)大學(xué)機電工程學(xué)院，廣州 510006；2.東莞理工學(xué)院機械工程學(xué)院，廣東東莞 523808）

0 引言

激光選區(qū)熔化成型（SLM）技術(shù)是一種快速增材制造技術(shù)，采用分層制造技術(shù)[1]，將三維零件數(shù)據(jù)進行切片處理，獲得激光掃描路徑，激光選擇性熔化各層金屬粉末，逐層地累積粘結(jié)，形成組織致密的金屬實體[2]。SLM 成型形狀不受限制的特點，能符合復(fù)雜內(nèi)腔結(jié)構(gòu)的隨形冷卻水道模具的生產(chǎn)要求[3-4]，解決了傳統(tǒng)加工方式難以加工的死角問題[4]。金屬嫁接打印，充分發(fā)揮SLM成型的優(yōu)勢，降低包含復(fù)雜結(jié)構(gòu)的大型零件打印成本與生產(chǎn)效率[5]，18Ni300 馬氏體時效鋼是利用金屬間化合物進行強化的高強度鋼[6]，具有強度高、韌性好等特點[7]。因其在較高的抗拉強度下仍具有良好的塑性[8]，而被應(yīng)用于制造模具零件和航空航天零件等[3]。

目前，國內(nèi)已有大量關(guān)于SLM 工藝參數(shù)和熱處理方法對18Ni300 馬氏體時效鋼顯微組織與力學(xué)性能的影響研究[6-13]。曹潤辰[10]針對18Ni300 粉末的SLM 成型工藝進行了研究，探討了激光功率、掃描速度、離焦量以及粉床厚度等工藝參數(shù)對成型的影響。白玉超等[14]通過對SLM 成型樣件進行了微觀組織分析、硬度測試、力學(xué)拉伸性能測試以及沖擊性能測試研究馬氏體時效鋼SLM 成型機理。董東東等[5]發(fā)明了《一種金屬零件嫁接打印方法》，該方法把生產(chǎn)產(chǎn)品的模型利用Magics 軟件規(guī)劃，將機加工區(qū)域與激光選區(qū)熔化加工區(qū)域定位，機加工的模型采用傳統(tǒng)方法加工成型，在該模型上表面進行精確定位，然后嫁接打印成型。王迪等[15]初步進行了多種材料功能梯度打印的基礎(chǔ)性能研究。然而目前大量研究僅針對激光選區(qū)熔化成型，針對激光選區(qū)熔化成型技術(shù)與傳統(tǒng)加工技術(shù)結(jié)合的SLM嫁接打印技術(shù)研究相對較少。

結(jié)合SLM 嫁接打印發(fā)展現(xiàn)狀，本文使用漢邦HBDSLM280制備基于316L基座的18Ni300嫁接成型樣品，研究激光功率與掃描速度對SLM 嫁接打印成型致密度、硬度、剪切強度等性能影響并討論分析優(yōu)化工藝。

1 實驗設(shè)備與實驗方法

1.1 實驗設(shè)備

實驗設(shè)備為廣東漢邦激光有限公司研制的HBDSLM2803D 打印設(shè)備，設(shè)備可激光選區(qū)熔化成型金屬粉末，成型預(yù)設(shè)形狀，設(shè)備最大成型造形尺寸為280 mm×280 mm×400 mm，采用500 W 大功率Yb 光纖激光，激光波長為1.070 nm；激光功率控制為10%～100%可調(diào)，光斑直徑為50 μm，在金屬零件打印過程中，保證成型腔內(nèi)充滿氬氣，氧氣含量在100 ppm以下。

實驗材料為中航邁特馬氏體時效鋼18Ni300 合金粉末，其中粉末粒徑主要分布在20～60 μm之間，粉末平均直徑為35 μm。粉末的實體密度為4.5 g∕cm3，松裝密度為4.14 g∕cm3。粉末化學(xué)成分質(zhì)量分?jǐn)?shù)如表1所示。

表1 18Ni300馬氏體時效鋼化學(xué)成分

1.2 實驗設(shè)計

將機加工成型基座與激光選區(qū)熔化設(shè)備專用基板鎖緊，并固定到工作平臺上，調(diào)整基座上表面與刮刀水平，調(diào)整基板，使基座上表面升至焦平面。將嫁接件模型導(dǎo)入Magics 進行切片處理后，再將切片數(shù)據(jù)導(dǎo)入設(shè)備控制軟件中，然后分別通過激光器發(fā)射的紅光與激光掃描，進行定位，直至測量差距小于0.1 mm。保持基板位置不動，鋪粉后進行激光掃描輪廓，觀察輪廓線上全是成型實體線，修改成型程序為常規(guī)實體成型參數(shù)開始打印，鋪粉層厚為50 μm，掃描策略為S 型正交掃描。各參數(shù)分別嫁接成型8 mm×8 mm×5 mm 塊體試樣以及依據(jù)GB∕T6396-2008標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計的剪切試樣。

本實驗通過全面實驗研究激光功率與掃描速度對塊體致密度和顯微維氏硬度的影響。以致密度為目標(biāo)，選擇優(yōu)化工藝參數(shù)。實驗參數(shù)如表2所示。

表2 SLM嫁接成型18Ni300工藝參數(shù)表

1.3 測量方法及設(shè)備

1.3.1 致密度測量

本實驗應(yīng)用阿基米德排水閥測量嫁接件試樣的致密度K。首先測量基座用酒精清洗烘干，將基座試樣使用精確度為0.000 1 g 的分析天平測量其在空氣中的質(zhì)量mA，進行嫁接打印后，將嫁接件用酒精清洗烘干，使用分析天平測量在空氣中質(zhì)量m1，然后將嫁接件放入盛有一定質(zhì)量蒸餾水燒杯的支架上（蒸餾水體積約占燒杯總體積的2∕3），待讀數(shù)穩(wěn)定時讀取嫁接件在水中的質(zhì)量m2，然后根據(jù)下式計算出實測密度以及致密度：

式中：ρ為打印試樣的密度，g∕cm3；ρH2O為蒸餾水的密度，g∕cm3；ρ0為18Ni300理論密度，g∕cm3。

1.3.2 剪切性能

根據(jù)GB∕T6396-2008，利用INSTRON5982 型電子萬能試驗機，應(yīng)力速度為3 N∕（mm2·s-1）測試在室溫條件下嫁接件剪切性能，按照圖1所示測量剪切性能。剪切試樣由機加工成型基座，直接SLM 嫁接成型嫁接體，用砂紙打磨試樣附著的未熔粉末后用酒精擦拭。

圖1 剪切測試卡具

1.3.3 金相組織觀察

不同工藝參數(shù)制備成方形嫁接試樣，并垂直嫁接界面切割成若干片狀試樣，將表面經(jīng)160#、400#、800#、1 200#和2 000#水磨砂紙打磨。再用0.05 μm 氧化鋁懸浮液機械拋光，用腐蝕劑擦拭試樣表面75 s 后用酒精沖凈并吹干，在金相顯微鏡下進行孔洞及金相組織觀察。

1.3.4 掃描電鏡分析

為進一步分析嫁接成型試樣孔洞分布，嫁接界面顯微結(jié)構(gòu)以及后續(xù)剪切端口形貌，將試樣腐蝕后，采用Thermo Scientific VeriosG4UC 型掃描電子顯微鏡進行SEM高倍組織觀察。

2 實驗結(jié)果與分析

2.1 工藝參數(shù)對致密度影響

嫁接試樣相對密度與激光功率系如圖2所示，保持激光掃描速度不變時，增大激光功率，SLM 嫁接成型18Ni300 馬氏體時效鋼試樣的相對密度呈先增大后減小的趨勢。當(dāng)激光功率較小時，無法穿透金屬粉末，且粉末吸收能量較少，不能完全熔化，造成球化現(xiàn)象，成型件無法致密；隨著激光功率越大，金屬粉末熔化越充分，熔池越大，使得SLM 成型試樣孔隙減少，致密度不斷提高；當(dāng)激光功率足夠大時，激光束快速掃描金屬粉末，并將掃描粉末加熱到熔點以上，使其完全熔化，SLM 嫁接成型件中孔隙十分少。當(dāng)激光功率達到300 W，掃描速度為1 000 mm∕s 時，SLM 嫁接成型件相對密度達到最大值，為99.01%，接近完全致密。當(dāng)激光功率過大時，激光束對粉末沖擊較大，使粉末氣化或飛濺，或發(fā)生過燒現(xiàn)象，且易使粉末發(fā)生球化，降低SLM成型件相對密度。

圖2 激光功率對致密度影響

如圖3所示，隨著掃描速度增大，SLM 成型的18Ni300 試樣的相對密度也呈先增大后減小的趨勢。當(dāng)掃描速度過低時，激光照射金屬粉末，形成較大熔池，將熔池周圍粉末熔化。激光移動時，由于大量粉末被之前熔池熔化，導(dǎo)致粉末不足，形成熔道較小，因此熔道不均勻。另一方面粉體內(nèi)部積聚過多能量，導(dǎo)致之前成型部分發(fā)生重熔現(xiàn)象，降低了成型致密度。當(dāng)掃描速度過高時，熔化的粉末形成滴液，會大量飛濺，導(dǎo)致致密度降低。

圖3 掃描速度對致密度的影響

綜合激光功率與掃描速度對嫁接成型件致密度影響發(fā)現(xiàn)，激光功率與掃描速度的影響會相互干擾，引入能量密度（E）概念，它是指單位面積粉末吸收激光功率。能量密度公式為：

式中：E為能量密度，J∕mm3；P為激光功率，W；v為掃描速度，mm∕s；h為掃描間距，mm；d為粉末層厚，mm。

本文能量密度范圍為2.1～4.4 J∕mm3，嫁接成型件致密度隨能量密度變化關(guān)系如圖4所示，發(fā)現(xiàn)沒有明顯線性關(guān)系，可以看出，隨能量密度的增大，致密度先有顯著提高趨勢，當(dāng)能量密度E≈3 J∕mm3（激光功率為300 W，掃描速度為1 000 mm∕s，掃描間距為0.1 mm）時，致密度達到最大值，為99.01%，但當(dāng)能量密度繼續(xù)增大時，過大的能量沖擊引起熔池飛濺，進而出現(xiàn)成型不均勻，致密度會小幅度下降，并趨于穩(wěn)定。

圖4 能量密度對致密度的影響

2.2 顯微維氏硬度

由于嫁接成型試樣存在孔洞，故采用壓痕較小的顯微維氏硬度測量硬度。如圖5所示，嫁接體顯微維氏硬度在不同能量密度下，硬度變化不顯著，說明工藝參數(shù)對SLM 嫁接體硬度影響不大，主要差異在致密度上。SLM 成型的試樣平均硬度為359.2 HV，對比鑄態(tài)18Ni300 的317 HV 顯微硬度，高出48 HV。SLM 成型是一種快速冷卻的加工方式，使得試樣晶粒更加細(xì)小，由于細(xì)晶強化作用，表現(xiàn)出硬度更高。

圖5 嫁接體顯微維氏硬度

如圖6所示，嫁接成型件各部分平均顯微維氏硬度，嫁接界面基體側(cè)平均硬度為198.6 HV，較基體169.5 HV高出29.1 HV。而嫁接界面嫁接側(cè)平均硬度為239.4 HV，較嫁接體359.2 HV 的硬度低119.8 HV。這是因為在嫁接過程中，前兩層未鋪粉，激光直接照射基座，316L 被重熔，當(dāng)打印第3層時，刮刀鋪粉，18Ni300粉末填充前兩層熔道，激光將18Ni300 粉末與316L 基座上層熔化，形成熔池，由Marangoni對流效應(yīng)，熔池中心溫度高于基座邊界溫度，產(chǎn)生溫度梯度，熔池邊界的表面張力[16]，進而形成融合區(qū)（如圖7白色虛線標(biāo)出）。

圖6 平均顯微維氏硬度

圖7 嫁接界面金相圖

2.3 剪切強度

采用優(yōu)化工藝參數(shù)成型剪切試樣，用砂紙打磨試樣之后進行剪切實驗，應(yīng)力曲線如圖8所示，剪切強度為1 508 MPa，低于鑄態(tài)2 020 MPa。

圖8 嫁接體剪切曲線

剪切斷口形貌如圖9所示，存在大量韌窩。在SLM嫁接成型過程中，易因鋪粉不均勻、粉末不熔化或球化等原因，導(dǎo)致SLM 嫁接成型件孔隙缺陷增多。在剪切實驗中，嫁接件存在的空隙缺陷，產(chǎn)生較大的應(yīng)力，形成大量韌窩，韌窩會沿撕裂棱迅速生長，形成穿晶斷裂，呈現(xiàn)韌性斷裂特征。

圖9 斷口形貌

2.4 典型形貌

2.4.1 缺陷

孔隙是SLM 嫁接成型過程中一種常見缺陷，降低嫁接成型件致密度，并影響其力學(xué)性能，因此，降低SLM成型件孔隙率對提升SLM 成型件性能有非常重要的意義。SLM 嫁接成型過程中缺陷形成主要金屬粉末熔化與液相凝固有關(guān)，影響因素主要如下。

（1）粉末球化

在SLM 嫁接成型過程中，金屬粉末通過激光逐層熔化，因金屬熔體與周圍氣固介質(zhì)間溫度梯度，引起表面張力梯度，為了降低表面自由能[14]，金屬熔體表面有轉(zhuǎn)變?yōu)榍蛐伪砻娴膬A向，產(chǎn)生球化現(xiàn)象。當(dāng)金屬熔體發(fā)生球化時，凝固顆粒間不連續(xù)，存在孔隙，阻礙SLM 鋪粉，導(dǎo)致SLM 成型件孔隙率增大。2.6 J∕mm3能量強度下拋光態(tài)形貌如圖10所示。

圖10 2.6 J∕mm3能量強度下拋光態(tài)形貌

（2）SLM工藝參數(shù)

當(dāng)激光能量密度過小時，金屬粉末吸收能量較少，熔化不完全，導(dǎo)致SLM 成型件孔隙率增加，如圖11所示，在42 J∕mm3能量強度（激光功率為250 W，掃描速度為1 200 mm∕s）下，熔池流動不充分，嫁接界面拋光態(tài)形貌中出現(xiàn)大量孔洞。當(dāng)激光能量密度過大時，激光束作用在粉末上的時間過長，沖擊大，易濺起或氣化金屬粉末，且能穿透當(dāng)前層掃描粉末，重復(fù)熔化先前凝固層。金屬粉末吸收能量過多，金屬熔體粘性降低，不易凝固成型，從而導(dǎo)致SLM成型件孔隙增加。

圖11 42 J∕mm3能量強度下拋光態(tài)形貌

（3）氣孔

圖12所示為不同能量密度下SLM 嫁接成型18Ni300未經(jīng)腐蝕的嫁接界面金相照片，當(dāng)能量密度為60 J∕mm3（激光功率為300 W，掃描速度為1 000 mm∕s）時，金相照片中只有極小孔洞，這是因為SLM 嫁接成型過程在惰性氣體中進行，由于Marangoni 效應(yīng)，熔池內(nèi)部湍流將惰性氣體卷入，SLM 成型冷卻速度快，混入金屬熔體中的惰性氣體難以全部逸出，使凝固部分出現(xiàn)氣孔。

圖12 60 J∕mm3能量強度下拋光態(tài)形貌

（4）熱應(yīng)力

SLM 嫁接成型過程中，高能激光束快速掃描熔化基座上層與18Ni300 粉末，但基座下層溫度低，導(dǎo)致成型過程中存在極大的溫度梯度，且嫁接成型提與基座及周圍介質(zhì)膨脹收縮系數(shù)不同，因此會在嫁接界面處集中較高的熱應(yīng)力。SLM嫁接成型件中存在應(yīng)力，會出現(xiàn)變形、裂紋甚至斷裂來釋放應(yīng)力。

2.4.2 嫁接界面

由于馬氏體相變形成的機理，低碳馬氏體時效鋼（C＜0.03%）的試件表面出現(xiàn)了明顯的凸起板條馬氏體組織。層間結(jié)合與嫁接過程相似，熔池凝固速度很快，但由于層間金屬均為18Ni300，濕潤性很好，濕潤角小，熔池溫度低于平衡熔點溫度，就會開始形核，且由于嫁接過程中，層間溫度相較嫁接界面處溫度梯度小，不容易產(chǎn)生新的晶核，上層的柱狀晶未重新形核，而是在下層未熔化的柱狀晶的取向上繼續(xù)生長，形成所謂的聯(lián)生結(jié)晶。而在嫁接界面處，第一層與第二層未進行鋪粉，所以前兩層是對基座進行激光重熔，由于基座為奧氏體，18Ni300 為馬氏體，濕潤角較大，嫁接面上的晶體已經(jīng)形核，不能繼續(xù)生長，無法形成聯(lián)生結(jié)晶，即無法形成良好冶金結(jié)合，如圖13所示。

圖13 嫁接界面顯微組織

3 結(jié)束語

（1）隨著激光功率與掃描速度的增大，嫁接件的致密度隨之呈現(xiàn)先增大后降低趨勢，根據(jù)能量密度分析。選擇能量密度60 J∕mm3即激光功率300 W、掃描速度1 000 mm∕s、掃描間距0.1 mm 為優(yōu)化參數(shù)，嫁接體致密度為99.1%。

（2）工藝參數(shù)對嫁接體顯微維氏硬度影響不大，但嫁接界面嫁接側(cè)顯微維氏硬度相對嫁接體顯著降低，嫁接界面基體側(cè)顯微維氏硬度相對基體顯著升高，這是因為在嫁接過程中18Ni300 粉末與316 L 在激光照射下熔化，相互擴散，形成融合區(qū)。

（3）通過剪切實驗，嫁接界面以及斷口微觀形貌表征，嫁接界面處，未能如嫁接件內(nèi)部，形成聯(lián)生結(jié)晶，且會產(chǎn)生孔隙，嫁接界面處剪切強度為1 500 MPa，低于鑄態(tài)18Ni300的2 050 MPa。