宗學(xué)文，葉凡，劉登科，宋增全，龐盈

（西安科技大學(xué) a.機(jī)械工程學(xué)院 b.增材制造技術(shù)研究所，西安 710054）

選區(qū)激光熔化（SLM）是一種新興的增材制造（AM）技術(shù)，在眾多行業(yè)具有廣泛的應(yīng)用[1]。SLM的基本原理如圖1 所示，它涉及激光熱源和金屬粉末顆粒之間的相互作用，以分層打印、逐層熔化再凝固的模式累加構(gòu)成完整零件。316L 不銹鋼是一種低碳奧氏體不銹鋼，具有高延展性、中等屈服強(qiáng)度、高可焊性、高耐腐蝕性和高抗氧化性等優(yōu)異性能，且成本相對(duì)較低，是家居用品、航空航天、核工業(yè)等的必備合金結(jié)構(gòu)材料。在從熔融態(tài)冷卻至室溫過程中，316L不銹鋼通常不發(fā)生固態(tài)相變[2]，其物理冶金過程相對(duì)簡(jiǎn)單，是進(jìn)行SLM 研究的首選材料[3]。

通過SLM 獲取具有優(yōu)異力學(xué)性能的制件是眾多學(xué)者研究的主要目的，大量學(xué)者針對(duì)SLM-316L 工藝參數(shù)與制件性能的關(guān)系展開了研究。同時(shí)，制件微觀結(jié)構(gòu)與SLM 打印316L 構(gòu)件性能間的關(guān)系已成為學(xué)者們廣泛關(guān)注的問題[4-6]。如圖2 所示，制件的宏觀性能取決于其微觀組織構(gòu)成，如晶胞、晶粒、織構(gòu)等[2,7]，而微觀組織主要取決于SLM 制造的工藝參數(shù)、原料特性和前后處理方式[8]。這些宏觀性能包括表面粗糙度[9]、表面硬度、致密度[10]等。成形零件的缺陷直接影響了宏觀性能，包含球化、未融合孔隙（LOF）[6]、鎖孔孔隙[11]、宏觀和微觀裂紋[12-13]。因此，深入研究工藝參數(shù)對(duì)缺陷和組織的影響，對(duì)預(yù)測(cè)理想力學(xué)性能的SLM 構(gòu)件至關(guān)重要[14]。宗學(xué)文等[15]研究了體激光能量密度（Ev=P/vhd，P為激光功率，v為掃描速度，h為掃描間距，d為層厚度）的變化對(duì)SLM-316L 制件組織及性能的影響。研究表明，隨著Ev的增大，成形件柱狀晶的生長(zhǎng)變得單一，沿構(gòu)建方向等軸晶增多，各向異性增大；當(dāng)Ev=65～85 J/mm3時(shí)，晶體生長(zhǎng)方向與堆積方向一致，抗拉強(qiáng)度均大于700 MPa，斷后伸長(zhǎng)率均大于25%。綜上所述，SLM 工藝參數(shù)與制件最終力學(xué)性能間的強(qiáng)烈相關(guān)性也取決于內(nèi)在孔隙度和微觀結(jié)構(gòu)[16]。本文討論了通過調(diào)控影響因素改善零件微觀結(jié)構(gòu)的可行性以及預(yù)測(cè)制件性能的可能性。然而，目前還缺乏有關(guān)原始粉末特性、保護(hù)氣體、加工參數(shù)等影響因素與零件致密度和力學(xué)性能間關(guān)聯(lián)性的研究。

圖2 SLM 原料粉末、工藝參數(shù)、結(jié)構(gòu)及性能之間的關(guān)系Fig.2 Relationship between SLM raw material powder, process parameters, structure and properties

本文以316L 不銹鋼為對(duì)象，綜述了SLM-316L制備全流程前中后期原始粉末、關(guān)鍵工藝參數(shù)及后處理方式的研究現(xiàn)狀，其中關(guān)鍵工藝參數(shù)包括原始粉末特性和保護(hù)氣體、激光輸入功率/密度、掃描速度和策略、掃描間距、層厚、點(diǎn)距、曝光時(shí)間和構(gòu)建方向等，并討論了SLM-316L 不銹鋼在粗糙度、硬度及抗拉強(qiáng)度等方面的研究進(jìn)展，同時(shí)對(duì)SLM-316L 后處理微觀結(jié)構(gòu)及力學(xué)性能的演變機(jī)理進(jìn)行了簡(jiǎn)要概括。筆者認(rèn)為，必須清楚地了解這些工藝參數(shù)與微觀結(jié)構(gòu)之間的特定關(guān)系，進(jìn)而得到優(yōu)異力學(xué)性能的產(chǎn)品。因此，本文基于激光粉末床熔融工藝，提出通過調(diào)控SLM-316L 不銹鋼的影響因素來預(yù)測(cè)成形零件力學(xué)性能的學(xué)術(shù)觀點(diǎn)。

1 SLM-316L 打印前影響因素對(duì)制件性能影響

1.1 316L 原始粉末

原始粉末是SLM 制造的基礎(chǔ)，其性能及特性決定著成形零件的質(zhì)量[18]。因此，首先要對(duì)打印前的原始粉末進(jìn)行研究，包括粉末顆粒的形態(tài)、粒度和分布、流動(dòng)性和孔隙率等，以保證層間鋪粉的均勻性。本文通過討論原始粉末的尺寸、形狀、分布和霧化條件等來確定金屬粉末的合格性。316L 不銹鋼是一種非磁性低碳奧氏體不銹鋼，其化學(xué)成分如表1 所示（由VIGA-真空感應(yīng)熔煉惰性氣體霧化、GA-常規(guī)氮?dú)忪F化、WA-水霧化生產(chǎn)）[19]。為盡可能保證SLM-316L制件的質(zhì)量，結(jié)合文獻(xiàn)查閱結(jié)果，建議通過以下規(guī)則來選擇原始316L 不銹鋼粉末：1）盡可能多的球形顆粒；2）精細(xì)的表面、盡可能少的衛(wèi)星（表面不規(guī)則，較小的顆粒黏附在較大顆粒的表面）；3）內(nèi)部孔隙率低，表面孔隙盡可能少，顆粒分布緊密，純度高[20-25]。

表1 不銹鋼粉末的化學(xué)成分[18]Tab.1 Chemical analysis results of stainless steel powder[18] wt.%

1.1.1 316L 粉末質(zhì)量

316L 粉末缺陷如圖3 所示?？梢钥吹狡扑榈姆勰┝?、附著在粉末顆粒上的微小衛(wèi)星、粉末顆粒表面的枝晶和粉末顆粒內(nèi)部的孔隙率等。在氣體霧化過程中，高壓氣體射流及高固化速率會(huì)導(dǎo)致氣體滯留在粉末顆粒內(nèi)，從而形成多孔粉末[26]，當(dāng)其用于SLM 鋪粉時(shí)會(huì)降低粉末流動(dòng)性并可能導(dǎo)致制件的孔隙率增大[27]；粉末表面的氧化物、水分和異物等污染物會(huì)導(dǎo)致氣孔和氧化物夾雜物的形成[26,28-29]，較高的孔隙率代表制件密度和整體性能較低。

圖3 316L 粉末缺陷[24]Fig.3 316L powder defect: a) particle fusion; b) gaseous impurities; c) agglomerate-sintered particles; d) dendritic granular structure; e) spherical particles; f) satellite particles of μm size (900×)[24]

1.1.2 316L 粉末粒徑及分布

粉末層密度（PLD）是影響粉末床熔化零件成形質(zhì)量的重要指標(biāo)，可以通過調(diào)整顆粒粒徑分布（PSD）提高粉末床的緊密程度[30]，PLD 隨顆粒直徑與層厚度之比的增大而減小。層密度與粉末顆粒粒徑大小的關(guān)聯(lián)可以用壁效應(yīng)現(xiàn)象來解釋，壁效應(yīng)指在金屬粉末填充供粉缸時(shí)大小不一致的顆粒排列組合能減少空隙。316L 不銹鋼混合粒徑粉末的流動(dòng)性和填充密度如表2 所示。隨著粗粉末混合比的增大，粉末顆粒間的摩擦增大且流動(dòng)性降低，導(dǎo)致層間鋪粉產(chǎn)生不均勻性以及堆積密度增大。SLM-316L 適用的粉末顆粒大小通常為0.25～0.56 μm[31-32]，分層厚度為0.02～0.05 mm。為保證高精度、高性能的打印制件，通常選擇雙峰分布的金屬粉末為原料。

表2 316L 不銹鋼混合粒徑粉末的性能[23]Tab.2 Properties of 316L stainless steel powder mixture[23]

Yang 等[23]采用如圖4 所示的氣霧化316L 細(xì)粉末（D50=29.69 μm，表示顆粒累積分布50%的粒徑是29.69 μm）和粗粉末（D50=82.78 μm），并利用球磨將質(zhì)量比為8︰2、7︰3 和6︰4 的粉末進(jìn)行混合，通過SLM 制備相對(duì)密度大于97%的試樣。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，SLM 中復(fù)雜的溫度梯度和表面張力梯度會(huì)產(chǎn)生Marangoni 效應(yīng)，形成典型的熔池形態(tài)、胞狀和條帶狀亞晶粒結(jié)構(gòu)。隨著粗粉比例的增大，掃描軌跡形態(tài)由平整變?yōu)槠鸱?，熔池的形態(tài)和亞晶粒結(jié)構(gòu)被改變，未熔融顆?？赡軙?huì)出現(xiàn)在SLM 樣品的表面上。在引入適量大顆粒粉末（20%）的前提下，SLM 樣品仍然具有良好的力學(xué)性能（662 MPa，47%）。較細(xì)的粉末顆粒的間隙小，并支持以更高的精度構(gòu)建組件。但是，細(xì)粉末容易團(tuán)聚結(jié)塊[26]，這些團(tuán)聚體增大了SLM 工藝中鋪粉顆粒間的摩擦，即導(dǎo)致粉末床密度降低。SLM-316L 不銹鋼熔池形貌、胞結(jié)構(gòu)的形成和晶粒生長(zhǎng)將影響其組織性能，粉末粒徑的具體組合方式是未來需要深入研究的一個(gè)方向。

圖4 粗細(xì)粉末粉末粒度分布[23]Fig.4 Particle size distribution of coarse and fine powder[23]

1.1.3 316L 粉末顆粒形狀

不銹鋼粉末SEM 圖如圖5 所示。通過氣體霧化生產(chǎn)的粉末并不完美，一些顆粒的形狀也不是完美的球形，如不規(guī)則、細(xì)長(zhǎng)形和圓柱形。含有衛(wèi)星的顆粒如圖6 所示。研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)粉末混合物的形狀不均勻性較高時(shí)，SLM 樣品的相對(duì)密度和壓縮性能較低[33]。金屬粉末形態(tài)會(huì)直接影響粉末流動(dòng)性和堆積密度，且形態(tài)特征一般由粉末生產(chǎn)方式（氣體、水、等離子體或離心霧化，以及等離子體旋轉(zhuǎn)電極）[28,34-35]決定。一般通過等離子體霧化方法和等離子體旋轉(zhuǎn)電極生產(chǎn)具有高球形度的寬尺寸分布的球形顆粒粉末。實(shí)驗(yàn)表明，近球形粉末顆粒實(shí)現(xiàn)了316L 制件的低孔隙率[8,23-24]，近球形粉末顆粒間有較低的摩擦以及更強(qiáng)的粉末流動(dòng)性，從而產(chǎn)生了高PLD。相反，不規(guī)則的粉末顆粒會(huì)限制粉末流動(dòng)，從而產(chǎn)生間隙/空隙。

圖5 316L 原粉的SEM 圖像（200×）Fig.5 SEM image of raw powder 316L (200×)

圖6 衛(wèi)星圖示（1 000×）Fig.6 Satellite illustration (1 000×)

1.1.4 316L 粉末霧化條件

氣體霧化[18]是在高壓下通過從噴嘴流出的氮?dú)?、氦氣或氬氣使熔融的金屬破碎成?xì)小液滴的過程，其中將裝有原料的坩堝置于霧化室上方的容器中。裝料首先被加熱并在高于熔點(diǎn)所需的溫度熔化，通過特制孔口擠出熔融金屬流到霧化室中。氣體在噴嘴中被加速到音速，當(dāng)它與熔流體接觸時(shí)，會(huì)將熔流體噴射成細(xì)小的液滴，同時(shí)從熔體中提取熱量，使金屬液滴在表面張力作用下轉(zhuǎn)變?yōu)榍蛐晤w粒。霧化器能夠?qū)⒏哌_(dá)99.5%的進(jìn)料粉末化，剩余的0.5%被收集在霧化器壁上和過濾器中。這種方法的優(yōu)點(diǎn)在于得到的晶粒形狀是規(guī)則和近球形的[20]。一種單個(gè)粒度為（45±15）μm 的不銹鋼粉末的具體特性如表3 所示。

表3 供應(yīng)商標(biāo)明的粉末特性[36]Tab.3 Powder properties indicated by the supplier[36]

將高壓和高壓射流下的霧化過程分別稱為氣體霧化（GA）和水霧化（WA）過程，如圖7 所示，GA粉末表現(xiàn)出比WA 粉末更高的圓形度，在VIGA 和GA 粉末上可以看到樹枝狀特征。由表1 可知，它們之間的主要區(qū)別在于硅和錳含量。在元素分析檢測(cè)時(shí)發(fā)現(xiàn)不同霧化介質(zhì)具備固有差異，例如GA 粉末的氮含量較高，WA 粉末的氧含量較高，后者是因?yàn)樵诮o定尺寸范圍內(nèi)比表面積更粗糙。GA 和WA 粉末的外層表面氧化物也有顯著差異：氧化的Mn 在GA 粉末的最外層表面氧化物中富集，隨著粒徑的減小，其含量逐漸增加；氧化硅在WA 粉末表面強(qiáng)烈富集[28]。對(duì)照發(fā)現(xiàn)WA 粉末制備的SLM-316L 中的納米氧化物夾雜物密度增大，關(guān)于WA 粉末對(duì)力學(xué)性能影響的深入研究仍是重要的探索領(lǐng)域。

圖7 粉末的SEM 顯微圖和顆粒特征[18]Fig.7 SEM micrograph and particle characteristics of powder[18]: a) SEM micrograph of VIGA; b) SEM micrograph of GA;c) SEM micrograph of WA; d) high magnification image of VIGA; e) high magnification image of GA;e) high magnification image of WA

1.2 保護(hù)氣體

如圖1 所示，SLM 打印艙室必須由保護(hù)氣體填充，以防止打印時(shí)零件氧化。通常，粉末床置于充滿保護(hù)氣體的封閉腔室中，保護(hù)氣體在帶有過濾器的閉合回路中循環(huán)。保護(hù)氣體可以防止氧化、硝化等化學(xué)反應(yīng)并限制工作腔中工藝副產(chǎn)物的產(chǎn)生，因此保護(hù)氣體在提高SLM 制造零件質(zhì)量和維持一致性方面起著關(guān)鍵作用。SLM 所用的保護(hù)氣體一般是氮?dú)饣驓鍤?，氬氣是一種惰性氣體，不與金屬發(fā)生反應(yīng)；而氮?dú)饪梢匀芙庠谌廴诮饘佼?dāng)中并與鉻、鈦等活性金屬結(jié)合產(chǎn)生氮化物。打印316L 不銹鋼制件時(shí)構(gòu)建室中氧的質(zhì)量分?jǐn)?shù)需保持在1 000×10?6以下，并且在打印期間在構(gòu)建區(qū)域需保持恒定的氬氣流量，以使激光羽流和激光飛濺物遠(yuǎn)離熔池，如圖8 所示，即去除SLM 工藝副產(chǎn)物（如飛濺物、焊接煙霧和冷凝水等）[37]。

圖8 SLM 保護(hù)氣體及常見缺陷的示意圖[38]Fig.8 Schematic diagram of SLM shielding gas and common defects[38]

Pauzon 等[39]研究表明，在氬氣和氮?dú)庀轮圃斓腟LM-316L 組件的微觀結(jié)構(gòu)、表面粗糙度、致密度和力學(xué)性能沒有顯著差異。Boes 等[40]研究了氮化及將氮化粉末摻入SLM-316L 粉末中的影響，結(jié)果表明，氮化后在粉末表面的頂部發(fā)現(xiàn)了氮化物，使用氮化物粉末打印的SLM-316L 制件的拉伸強(qiáng)度、楊氏模量和屈服強(qiáng)度等均產(chǎn)生了一定的變化，具體如表4 所示。Ding 等[38]研究了SLM-316L 過程中保護(hù)氣體（氬氣）體積流量的影響，研究表明，當(dāng)體積流量為500 L/min和600 L/min 時(shí)，隨著保護(hù)氣體體積流量的增大，試樣內(nèi)部缺陷減少，試樣在底板不同位置的拉伸性能差異逐漸縮小，試樣的楊氏模量增大，試樣的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度增大，伸長(zhǎng)率反而減小。優(yōu)化氣體流量可以降低孔隙率，提高樣品的抗壓強(qiáng)度，即可以提高零件整體質(zhì)量。工作艙中的低氧體積分?jǐn)?shù)為0.3%～0.5%，這樣能夠降低316L 粉末的氧化程度。綜上所述，SLM打印的副產(chǎn)品可能會(huì)導(dǎo)致激光衰減并污染粉末，影響微觀組織形成及增加裂紋、孔洞等缺陷，進(jìn)而導(dǎo)致制件性能降低。因此，除了SLM 中保護(hù)氣體的選擇外，還要具體研究氣體體積流量、粉末床及激光間的影響機(jī)理，從而完善AM 保護(hù)氣體的研究。

表4 316L、316L+0.1N 和316L+0.3N 鋼粉制造的SLM 試樣的力學(xué)性能[40]Tab.4 Mechanical properties of SLM-built specimens produced from 316L, 316L+0.1N, and 316L+0.3N steel powder[40]

1.3 預(yù)熱

預(yù)熱是有效調(diào)控組織性能的方式，適用于開裂傾向大的模具鋼、工具鋼和鋁合金等SLM 制備，能夠有效減小殘余應(yīng)力、翹曲變形和局部開裂傾向[41-43]。有關(guān)預(yù)熱對(duì)選區(qū)激光熔化316L 不銹鋼力學(xué)性能影響的研究較少，特別是有關(guān)SLM-316L 不銹鋼疲勞性能的影響研究。殘余應(yīng)力是由制造過程中高冷卻速率和強(qiáng)熱梯度產(chǎn)生的[43-45]，在SLM 工藝中預(yù)熱成形平臺(tái)可顯著降低殘余應(yīng)力并有效降低孔隙率。研究發(fā)現(xiàn)[46]，殘余應(yīng)力（RS）水平高度依賴于粉末床的預(yù)熱溫度，預(yù)熱溫度每次升高50 ℃，會(huì)在20～650 ℃的溫度范圍使內(nèi)應(yīng)力降低約900%。Cosma 等[42]研究發(fā)現(xiàn)，在SLM制造過程中，超過200 ℃的預(yù)熱會(huì)使具有低孔隙率的結(jié)構(gòu)致密均勻，此外也會(huì)導(dǎo)致屈服強(qiáng)度（YS）和極限抗拉強(qiáng)度（UTS）上升[47]。如圖9 所示，在快速加熱過程中會(huì)產(chǎn)生陡峭的熱梯度，導(dǎo)致上層的熱膨脹大得多；在快速冷卻過程中，由于熱收縮現(xiàn)象，上層收縮非常快，這將使下層的凝固受到抑制，從而在當(dāng)前層中引起縱向拉應(yīng)力和縱向壓應(yīng)力。隨著打印層的累加，通常RS 將以壓應(yīng)力的方式存在于成形平臺(tái)中而重新分布，制件部分則表現(xiàn)出拉伸應(yīng)力[45]。目前的實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，預(yù)熱顯著減輕了RS，無論是預(yù)熱每一層粉末還是僅預(yù)熱成形平臺(tái)，RS 緩解均是底層材料溫度升高導(dǎo)致冷卻速率和熱梯度降低的結(jié)果。由文獻(xiàn)[41-42]可知，制造后加熱還可以減小或消除殘余應(yīng)力，進(jìn)而提高疲勞壽命。同時(shí)，預(yù)熱成形平臺(tái)可以得到更加精確的幾何形狀[48]，這是熱后處理方式無法實(shí)現(xiàn)的。SLM-316L 制件一般具有顯著的各向異性，預(yù)熱對(duì)致密度和沖擊韌性的影響很小，預(yù)熱可以使顯微硬度和抗拉強(qiáng)度略微降低、延伸率略微提高，但還需深入研究打印零件的疲勞壽命，以促進(jìn)SLM 制件的實(shí)際應(yīng)用。

圖9 SLM 中殘余應(yīng)力的形成機(jī)理[43]Fig.9 Mechanism of residual stress formation in SLM: a)thermal expansion; b) thermal shrinkage[43]

2 SLM 打印中工藝參數(shù)對(duì)性能影響

2.1 激光輸入功率/能量密度

在AM 過程中，使粉末床熔化的激光能量被稱為激光輸入功率或激光輸入能量密度（LPD）[49]。較高的LPD 能提高制件的整體構(gòu)建率，例如當(dāng)LPD 從100 W（>11 h）增大到380 W（<7 h）時(shí)，制造時(shí)間會(huì)縮短41.8%。Larimian 等[50]研究了激光光斑尺寸、掃描間距、掃描速度和激光功率等對(duì)SLM 制造316L 不銹鋼樣品微觀結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能的影響。通過對(duì)不同工藝參數(shù)的樣品進(jìn)行表征分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，當(dāng)樣品表現(xiàn)出較高的拉伸強(qiáng)度和顯微硬度時(shí)，工藝參數(shù)為較大的激光光斑尺寸、LPD 和掃描間距；當(dāng)Ev相同時(shí)，高LPD和低掃描速度顯著提高了SLM 制造樣品的力學(xué)性能。最終，得到LPD 比掃描速度對(duì)SLM 制造零件力學(xué)性能的影響更大這一結(jié)論。LPD 直接影響熔池的穿透深度、形狀和尺寸。Yahyaoui 等[51]研究了選擇性激光熔化中LPD 對(duì)316L 不銹鋼表面特性的影響。研究表明，SLM 制造零件的表面微觀幾何質(zhì)量可以通過控制體積能量密度來提高。LPD 值的高低會(huì)直接影響孔隙率的分布和形狀，在低LPD 時(shí)，SLM-316L 熔池呈錐形；而在高LPD 時(shí)，SLM-316L 熔池較大且窄深。Li 等[52]研究表明，隨著LPD 的增大，SLM-316L單線掃描軌跡穿透深度增大。這是因?yàn)樵谳^低的LPD下，形成的熔池潤(rùn)濕角較大，即潤(rùn)濕效果較差，導(dǎo)致熔池與基體結(jié)合不足，進(jìn)而影響激光穿透深度；相反，LPD 越高，溫度越高，越有利于形成低潤(rùn)濕角和高滲透。所以在較高LPD 的條件下，能夠觀察到更好的試樣表面光潔度及熔池形貌。

研究表明，當(dāng)孔隙率低于0.2%時(shí)，各種工藝參數(shù)都會(huì)顯著影響316L 制件的織構(gòu)和微觀結(jié)構(gòu)。SLM制件孔隙度與LPD 間的一般規(guī)律如下：組織的孔隙度隨LPD 的增大先降低到0，而后又開始逐漸增大[1,50]。SLM-316L 中常見缺陷的微觀形貌如圖10 所示。較低LPD 的試樣由于缺乏融合，在層間邊界處會(huì)出現(xiàn)不規(guī)則的多邊形狀孔隙，通常稱為缺乏融合（LOF）孔隙；適中LPD 的試樣具有最高的致密度和孔隙率[6,10]。當(dāng)LPD 高于特定閾值（>120 J/mm3）時(shí)，粉床熔化模式由傳導(dǎo)轉(zhuǎn)換為匙孔（反應(yīng)更加劇烈），形成更深的熔池，甚至在熔池底部產(chǎn)生稱作匙孔的空洞[6,53]。在由極高LPD 導(dǎo)致的極端溫度下，低熔點(diǎn)的細(xì)微粉末顆粒會(huì)發(fā)生氣化[54]、激光粉末濺射和凝結(jié)，且可能會(huì)粘在基體表面，甚至光學(xué)元件和加熱元件上。由于高的冷卻凝固速率，SLM-316L 制件的微觀結(jié)構(gòu)通常以γ-奧氏體為主要組成并可能伴有δ-鐵素體[55]，激光功率的增大會(huì)使晶體生長(zhǎng)方向趨向于構(gòu)建方向，晶粒生長(zhǎng)為柱狀晶，織構(gòu)度增大，δ-鐵素體數(shù)量減少。以上論述可為SLM 機(jī)械零件的設(shè)計(jì)與開發(fā)提供方法學(xué)支持。因此，研究LPD 與SLM 制件動(dòng)態(tài)力學(xué)性能的關(guān)系，對(duì)改進(jìn)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和開發(fā)具有重要意義。

圖10 SLM 打印316L 組件中常見的缺陷[1,6,12,14]Fig.10 Common defects in SLM printed 316L assemblies[1,6,12,14]

2.2 激光掃描速度

激光束于粉末床上的移動(dòng)速度稱為激光掃描速度（LSV）[56]。研究表明，SLM-316L 的孔隙率隨著LSV 的增大而增大。LSV 越高，激光曝光時(shí)間越短，越易導(dǎo)致粉末層因熔化不足而限制熔池在基底上的擴(kuò)散能力，進(jìn)而產(chǎn)生LOF 孔隙率[57]。然而，低LSV和高輸入能量會(huì)加劇熔池中氣體的溶解，導(dǎo)致熔池寬度及深度增大，進(jìn)而產(chǎn)生鎖孔和孔隙率[52]。如圖11所示，LSV 越大，孔隙率越高，孔隙數(shù)量越大。因此，選擇最優(yōu)的LSV 和工藝參數(shù)（如LPD 和掃描間距）是獲取優(yōu)異性能零件的關(guān)鍵。SLM 工藝（PLD/LSV）窗口如圖12 所示。在工藝窗口中，左上區(qū)域的缺陷主要是LOF，右下區(qū)域的缺陷則是KP，而中間白色區(qū)域表示相對(duì)高致密性的制件[52]。

圖11 激光掃描速度（LSV）與體積孔隙率和孔隙數(shù)量的關(guān)系[57]Fig.11 Laser scan velocity (LSV) vs volume porosity and pore count (mm3)[57]

較高的LSV 也會(huì)增大表面粗糙度（SR），當(dāng)LSV從900 mm/s 增大到1 200 mm/s 時(shí)，會(huì)導(dǎo)致表面粗糙度增大62.5%[58]，SR 較高是熔化不足和球化現(xiàn)象的綜合表現(xiàn)。如圖13a 所示，當(dāng)LSV 增大時(shí)，熔池軌道長(zhǎng)度迅速增大，而寬度略有減小，這會(huì)促使熔池軌道分解或斷裂成島狀或球團(tuán)，即發(fā)生球化現(xiàn)象（BP），這可歸因于熔池移動(dòng)的不穩(wěn)定性。BP 受熔池和固體表面潤(rùn)濕特性和溫度的影響，這種熔池的不穩(wěn)定性會(huì)在內(nèi)部中心形成一個(gè)空洞（見圖13a）。較高的LSV和表面張力產(chǎn)生的強(qiáng)反向作用共同致使空洞擴(kuò)大，最終破裂成島狀，導(dǎo)致表面粗糙度增大，孔隙度增大[59]。如圖13b 所示，當(dāng)出現(xiàn)與BP 相關(guān)聯(lián)的多孔層時(shí)，后續(xù)鋪粉工作可能無法完整填充空隙，即激光能量無法完全穿透到底層熔化，形成多孔層并引發(fā)鏈?zhǔn)叫?yīng)[52]。因此，在高毛細(xì)管力和鏈?zhǔn)叫?yīng)的作用下，部件將會(huì)產(chǎn)生較高的孔隙率，即降低其致密度和力學(xué)性能。以上討論可為SLM-316L 不銹鋼的LSV 工藝改進(jìn)提供理論建議，促進(jìn)增材制造不銹鋼材料的實(shí)際生產(chǎn)和應(yīng)用研究。

圖13 產(chǎn)生空隙的破碎熔池的3D 視圖[59]（a）以及球化引起的孔隙率[60]（鏈?zhǔn)叫?yīng)）的顯微圖像（b）Fig.13 3D view of the broken molten pool that creates voids[59] (a) and microscopic image of porosity[60](chain effect) due to spheroidization (b)

2.3 激光掃描策略

激光掃描策略（LSS）是SLM 設(shè)備中激光器發(fā)射的激光束所遵循的掃描路徑，它會(huì)影響SLM 的打印時(shí)間、制造缺陷和性能[61]。不同的掃描方向、掃描順序、掃描矢量旋轉(zhuǎn)角度、掃描矢量長(zhǎng)度、掃描時(shí)間和掃描間距均會(huì)使LSS 不同[13,62]。一些打印SLM-316L 常用的LSS 如圖14 所示，其中圖14a～c 是指雙向激光掃描策略，圖14d～g 是指孤島策略-隨機(jī)（按照數(shù)字順序進(jìn)行打印）和棋盤策略（先打白色和黑色區(qū)域，再打剩余區(qū)域）。由于其他加工條件的差異，查閱相關(guān)文獻(xiàn)可知，發(fā)現(xiàn)掃描策略對(duì)樣品密度、制造缺陷和性能的影響規(guī)律是十分困難的。得到一般性結(jié)論如下：連續(xù)層間旋轉(zhuǎn)角度的LSS 會(huì)導(dǎo)致各層熔池位置發(fā)生變化，打破了晶粒原本的柱狀并外延生長(zhǎng)，有利于細(xì)小等軸晶粒的形成，從而提高了SLM 構(gòu)建樣品的抗拉強(qiáng)度、密度和延展性[62-63]。采用棋盤矩形圖案的掃描策略，可調(diào)控晶粒的形態(tài)及其晶體結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)初始織構(gòu)在壓縮方向<100>上孿晶形成傾向的增強(qiáng)，從而增強(qiáng)應(yīng)變硬化率，即提高制件的顯微硬度[61]。Marattukalam 等[64]研究表明，層間67°的旋轉(zhuǎn)角度有利于SLM-316L 纖維紋理的產(chǎn)生。纖維紋理的織構(gòu)與硬度、楊氏模量、屈服強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率有一定的聯(lián)系，但還需要進(jìn)行更深的研究。

圖14 SLM-316L 中一些常見的掃描策略示意圖[17]Fig.14 Schematic diagram of some common scanning strategies in the SLM-316L[17]

與單向掃描相比，雙向掃描中存在的激光束與金屬蒸氣羽流間的相互作用會(huì)造成激光能量損失，從而導(dǎo)致較高的氧含量和孔隙率[65]。較小的掃描矢量長(zhǎng)度有利于降低殘余應(yīng)力，增強(qiáng)力學(xué)性能[66]。綜上所述，掃描策略對(duì)SLM-316L 不銹鋼的微觀結(jié)構(gòu)、晶粒長(zhǎng)大、晶粒尺寸及取向以及力學(xué)性能有顯著影響。研究與SLM-316L 制件的各向同性或各向異性需求所對(duì)應(yīng)的LSS 是有價(jià)值的，即采用不同策略打印SLM-316L 的零件力學(xué)性能具有深入研究?jī)r(jià)值。

2.4 掃描間距

相鄰兩條掃描軌跡之間的距離為掃描間距，如圖1 所示。較小的掃描間距雖然會(huì)增加零件的打印時(shí)間，但緊密重疊的軌道會(huì)使鄰近基體重熔，即形成低孔隙率和更好的表面光澤度[67]。合適的重疊掃描軌跡可以提高表面光潔度，并減小球化效應(yīng)造成孔隙的可能性，打印的制件具有更好的密度、伸長(zhǎng)率和極限抗拉強(qiáng)度。如圖15 所示，更寬的掃描間距表示連續(xù)掃描軌跡之間的距離更大，由于掃描軌跡之間缺乏重疊[63]，熔化再凝固時(shí)會(huì)出現(xiàn)空隙/空洞，綜上所述，優(yōu)選較小的掃描間距。Qi 等[66]研究了當(dāng)掃描速度為600 mm/s時(shí)，掃描間距、點(diǎn)距和曝光時(shí)間對(duì)試樣相對(duì)密度的影響。研究表明，當(dāng)曝光時(shí)間為40 μs 時(shí)，相對(duì)密度為99.97%～99.98%。當(dāng)點(diǎn)距和掃描間距逐漸增大時(shí)，單熔點(diǎn)和單軌道的重疊程度反而降低，導(dǎo)致單軌道和單層的表面粗糙度較差，即更容易產(chǎn)生缺陷進(jìn)而降低制件整體力學(xué)性能。

2.5 層厚度

層厚度是依據(jù)AM 粉末粒度分布而設(shè)立的一個(gè)關(guān)鍵參數(shù)。層厚度越大，表面粗糙度越大，LOF 孔隙率越高，加上激光束穿透致密粉末層的動(dòng)力不足，即組織密度越低[68]，進(jìn)而會(huì)導(dǎo)致打印316L 的部件存在部分熔化現(xiàn)象[69]。

重熔是在凝固層上進(jìn)行的一種能夠改變合金組織、提高合金性能的工藝。一些研究發(fā)現(xiàn)，激光表面再熔化有助于提高零件表面性能。Yu 等[70]通過SLM重熔制造了 AlSi10Mg，使零件的表面粗糙度值從20.67 μm 下降到11.27 μm，同時(shí)提高了零件的相對(duì)致密度[71]。不同放大倍數(shù)下樣品的SEM 圖像（左半部分：無重熔；右半部分：重熔）如圖16 所示，可以看到，重熔工藝能夠明顯減小制件表面的粗糙度。Kurzynowski 等[72]研究表明，重熔SLM-316L 制件的缺陷有所減少，晶粒取向偏差有所增大，硬度得到了提高。重熔可以使平均晶粒尺寸變大，雖無法提升試樣的拉伸強(qiáng)度，但能夠增大塑性和顯微硬度。力學(xué)性能的增強(qiáng)是由于重熔前先凝固的相鄰軌道及層間旋轉(zhuǎn)有助于使晶粒生長(zhǎng)到一個(gè)不易發(fā)生滑移的方向。研究表明，重熔及較小的掃描間距能調(diào)整晶粒外延水平生長(zhǎng)去向以抵抗滑移，進(jìn)而顯著提高樣品的耐磨性和硬度，且使樣品保持優(yōu)異的相對(duì)密度，即可用于提高SLM 加工構(gòu)件的表面性能。

圖16 不同放大倍數(shù)下樣品的SEM 圖像[73]Fig.16 SEM images of specimens at different magnifications[73]

2.6 光斑、點(diǎn)距和曝光時(shí)間

在SLM 工藝中，激光光斑大小會(huì)顯著影響金屬樣品的力學(xué)性能。一般較大的激光光斑尺寸能保證SLM 打印過程的穩(wěn)定性及構(gòu)建速率，也可以減少過熱，從而提高力學(xué)性能[74]。B?uerle[75]研究表明，光束中心的最高溫度與激光束的直徑成反比，即較小的激光光斑尺寸意味著更集中的能量輸入，能使熔池溫度急劇上升，且易于生成匙孔，進(jìn)而增大制件的孔隙率。

如圖1 所示，點(diǎn)距離（PD）的定義為2 個(gè)連續(xù)激光點(diǎn)之間的距離，而曝光時(shí)間（ET）是指其中一個(gè)光斑被激光源加熱[27]所需的時(shí)間。較大的PD 表明連續(xù)激光光斑中心間距的增大使光斑重疊的區(qū)域變小，從而導(dǎo)致表面粗糙。不同點(diǎn)距離和曝光時(shí)間下的孔隙率變化如圖17 所示?？梢杂^察到，較大的點(diǎn)距離導(dǎo)致粉末床熔化能量不足，形成了孔洞和縫隙。延長(zhǎng)曝光時(shí)間可以使熔體軌跡變寬，同時(shí)高激光能量密度會(huì)增大近圓角孔隙（如A3-1）的形成。較高的ET和較低的PD 會(huì)降低表面粗糙度和孔隙率，因?yàn)榉勰┐苍谙鄬?duì)較長(zhǎng)的激光作用下能夠充分熔化，這有利于產(chǎn)生光滑表面[66,76]。

圖17 不同點(diǎn)距離和曝光時(shí)間下的孔隙率變化[60]Fig.17 Change in porosity measured by optical image analysis at different point distances[60]

2.7 構(gòu)建方向（傾斜角）

頂面與傾斜角θ的示意圖如圖18 所示。構(gòu)建方向被定義為沿試樣建造的方向；傾斜角為打印頂面與基板的夾角，對(duì)SLM-316L 的殘余應(yīng)力和晶粒形態(tài)有顯著影響。Ni 等[7]研究發(fā)現(xiàn)，0°試樣的平均殘余應(yīng)力為400 MPa，幾乎是90°試樣的2 倍。在制造過程中頻繁的加熱和冷卻循環(huán)會(huì)造成顯著的溫度梯度，產(chǎn)生包含殘余應(yīng)力的高應(yīng)力場(chǎng)。為了釋放這種殘余應(yīng)力，樣品會(huì)產(chǎn)生孔隙和裂紋。如圖19 所示，隨著傾斜角度的增大，制備樣品的孔隙和裂紋逐漸增多，導(dǎo)致其致密化降低，同時(shí)裂紋的產(chǎn)生會(huì)伴隨氣孔和球化行為?？紫秾⒊蔀閼?yīng)力集中區(qū)，在靜態(tài)和循環(huán)載荷下影響樣品的力學(xué)性能[77]。拉伸斷裂的主要失效模式是韌性斷裂，而90°試樣的拉伸斷裂屬于脆性斷裂。Lin等[78]沿平行構(gòu)建方向選取了不同高度的3 個(gè)平面進(jìn)行了EBSD 掃描，如圖20 所示，從EBSD 方向能清楚地觀察到SLM 正交激光掃描策略的掃描軌跡。隨著與底面距離的增大（見圖20a～c），<001>晶粒的體積分?jǐn)?shù)從18.7%（平面A）逐漸下降到12.1%（平面C）。不同平面的晶粒度分布如圖20d 所示，可以看出，與其他平面相比，平面C 具有更多的小尺寸晶粒。平面A、平面B 和平面C 的平均晶粒直徑分別為8.74、8.44、8.36 μm。Gu 等[79]研究表明，晶粒尺寸沿構(gòu)建方向（從下到上）逐漸減小，試樣晶粒是大等軸晶粒和小柱狀晶粒的混合物，而水平試樣具有大柱狀晶粒。與頂部位置相比，樣品底部位置在SLM 過程中經(jīng)歷了更多的熱循環(huán)，導(dǎo)致晶粒生長(zhǎng)。

圖18 頂面與傾斜角θ 的示意圖[7]Fig.18 Schematic diagram of the top surface and the inclination angle θ[7]

圖19 不同傾角的頂面微觀形貌[7]Fig.19 Micromorphology of the top surface at different inclination angles[7]

圖20 不銹鋼樣品不同平面的晶粒取向圖及不同平面的晶粒直徑分布[78]Fig.20 Grain orientation diagram of different planes of stainless steel specimen and grain diameter distribution in different planes of the specimen[78]: a) plane A; b) plane B; c) plane C; d) grain diameter

3 SLM-316L 制件的后處理技術(shù)對(duì)性能的影響

3.1 表面機(jī)械磨損處理（SMAT）

將表面嚴(yán)重塑性變形（SPD）技術(shù)用于制造業(yè)，可以提高耐腐蝕、力學(xué)和摩擦學(xué)性能[80]。噴丸處理、超聲波噴丸處理和噴砂處理統(tǒng)稱為表面機(jī)械磨損處理（SMAT），可以在零件表面引起嚴(yán)重的塑性變形，進(jìn)而導(dǎo)致晶粒細(xì)化[81]。噴砂處理利用壓縮空氣壓力將介質(zhì)顆粒近垂直噴射到樣品表面，可以去除SLM316L 樣品表面的球狀顆粒和孔隙，抑制腐蝕裂紋的形成。噴砂后，鈍化膜更加穩(wěn)定，可以促進(jìn)表面/次表面的晶粒細(xì)化[82]。SMAT 處理是用超聲波（20 kHz 的頻率振動(dòng)）驅(qū)動(dòng)鋼球沖擊試樣表面，通過鋼球產(chǎn)生的連續(xù)沖擊動(dòng)能形成塑性變形場(chǎng)。SMAT 與噴丸處理類似，不同之處在于SMAT 中使用的鋼球更大且呈完美球形，沖擊速度更高且碰撞角度是隨機(jī)的。SLM 零件的表面含有部分熔化的粉末顆粒，導(dǎo)致表面粗糙度高，通過SMAT 后處理可以顯著降低表面粗糙度并提高制件顯微硬度。在SLM 過程中，最初在表面附近產(chǎn)生的拉伸殘余應(yīng)力在SMAT 后轉(zhuǎn)化為壓縮殘余應(yīng)力。拉伸試驗(yàn)結(jié)果表明，SMAT 樣品的力學(xué)性能隨著處理強(qiáng)度的增大而提高，即SMAT 適用于SLM-316L 零件的后處理，可以降低其表面粗糙度、增大顯微硬度、轉(zhuǎn)化壓縮殘余應(yīng)力和提高抗拉強(qiáng)度[83]。

3.2 電解拋光

電解拋光（EP）通常用于改善SLM 內(nèi)部結(jié)構(gòu)的表面光潔度，可以明顯提高制件表面質(zhì)量。EP 因優(yōu)異的材料去除率、高加工效率和無損傷特性而廣受歡迎。將EP 作用于SLM 制件的未燒結(jié)粉末和燒結(jié)區(qū)域[84]，可以使其逐漸溶解，進(jìn)而降低表面粗糙度。Chang 等[85]提出將SLM 晶格結(jié)構(gòu)的過電位和常規(guī)EP工藝組合，實(shí)現(xiàn)了平均表面粗糙度從最初的8 μm 降至0.18 μm。盡管人們一直關(guān)注SLM 表面質(zhì)量的改善問題，但尚未深入研究EP 過程中不同SLM 結(jié)構(gòu)缺陷的去除機(jī)理、去除效率及其實(shí)際應(yīng)用前景。

3.3 熱處理

熱處理（HT）主要用于釋放SLM 過程中形成的應(yīng)力并降低孔隙率[86]，其中部件經(jīng)歷了加熱和冷卻循環(huán)，獲得了均勻的微觀結(jié)構(gòu)，物理和力學(xué)性能都得到了提高。Zhu 等[87]采用固溶處理在1 050 ℃和1 150 ℃下對(duì)SLM-316L 試樣進(jìn)行了2 h 的HT，后分別空冷和水冷，研究表明，成形試樣由具有熔池邊界的柱狀晶體組成。HT 后，熔池邊界和枝晶消失，奧氏體晶粒生長(zhǎng)，晶粒主要由柱狀晶體組成，柱狀晶體在1 050 ℃高溫處理后沿平行于熱流方向生長(zhǎng)，在<101>方向上有明顯的織構(gòu)。如圖21 所示，HT 后，從HT-1（600 ℃/2 h/空冷）到HT-2（850 ℃/2 h/空冷），熔池及其胞狀和帶狀結(jié)構(gòu)的邊界逐漸消失，并產(chǎn)生了新的晶粒。研究發(fā)現(xiàn)，與打印樣品相比，1 000 ℃以上的HT 樣品的再結(jié)晶晶粒尺寸明顯增大[88]。熱處理實(shí)質(zhì)上改變了試樣的最終顯微組織和力學(xué)性能，HT 及初始樣品的綜合性能均超過了傳統(tǒng)制造的不銹鋼零件的性能[89]，與熱軋316L 板材相比，打印態(tài)奧氏體的特殊組織使其屈服強(qiáng)度提高了近1 倍，但極限抗拉強(qiáng)度的提高幅度很小，斷口伸長(zhǎng)率降低了40%。

圖21 SLM 竣工和熱處理試樣的微觀結(jié)構(gòu)（構(gòu)建平面）[88]Fig. 21 Microstructure (construction plane) of SLM as-built and heat-treated specimens[88]

3.4 熱等靜壓

熱等靜壓（HIP）處理通常為在竣工零件上同時(shí)施加一定時(shí)間的溫度和壓力，主要是為了最大限度地減小孔隙率、釋放應(yīng)力和提高疲勞壽命[90]。Greitemeier 等[91]研究發(fā)現(xiàn)，在AM 制造的Ti6Al4V 的試樣上進(jìn)行了HIP（920 ℃/100 MPa/2 h/氬氣氣氛）與HT（710 ℃退火2 h）實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明，HIP 試樣的孔隙率最小，殘余應(yīng)力最低，疲勞性能最好。Petrovskiy 等[92]在冷噴涂Ti6Al4V 制件上進(jìn)行了HIP，使樣品孔隙率降低至0.2%，并將拉伸強(qiáng)度和延展性提高到接近參考值（拉伸強(qiáng)度為950 MPa，伸長(zhǎng)率為13.5%）。與原始構(gòu)件相比，高溫高壓會(huì)引起孔隙率降低、元素?cái)U(kuò)散以及材料再結(jié)晶等拉伸性能顯著增強(qiáng)。Lavery 等[60]研究發(fā)現(xiàn)，即使在最佳激光能量輸入下，制件總孔隙率也可能高于1%～2%。采用HIP 有助于消除裂紋并降低孔隙率到1%以下，經(jīng)HIP 處理后，316L 試樣具有更均勻的微觀結(jié)構(gòu)以及更大的晶粒和更清晰的晶界，屈服強(qiáng)度得到顯著降低，極限拉伸強(qiáng)度峰值和伸長(zhǎng)率得到增大，且從HIP316L 樣品的斷裂表面上可以看到，延展性也得到了提高。

其他后處理技術(shù)包括精加工（FM）、振動(dòng)表面精加工（VSF）和拖曳精加工（DF）等，通常可以用來提高零件表面特性[93]。DF 和VSF 常使用陶瓷磨料顆粒，而FM 常使用CNC 車削中心。經(jīng)DF、VSF、FM處理后，表面粗糙度分別提高了60%、40%、75%。此外，由于表面的應(yīng)變硬化，經(jīng)FM 處理后，樣品的硬度提高了14%。

4 總結(jié)與討論

綜述了SLM-316L 制備全流程前中后期原始粉末、工藝參數(shù)及后處理方式的研究現(xiàn)狀，提出了通過調(diào)控SLM-316L 不銹鋼的影響因素來預(yù)測(cè)成形零件力學(xué)性能的學(xué)術(shù)觀點(diǎn)。隨著研究的不斷深入及SLM技術(shù)的不斷應(yīng)用，SLM-316L 的研究也存在一些亟待解決的問題與挑戰(zhàn)，提出以下觀點(diǎn)：

1）較差的原始粉末特性，如原始粉末質(zhì)量差、非球形粉末顆粒形狀以及粉末粒度寬，可能會(huì)導(dǎo)致粉末床密度較低，并最終導(dǎo)致制件孔隙率升高。

2）較低的激光輸入功率/能量密度和較快的激光掃描速度會(huì)導(dǎo)致樣品密度差。較高的激光輸入功率/能量密度、較慢的激光掃描速度、較大的掃描間距、較小的層厚和點(diǎn)距離可以獲得更好的試樣密度，但會(huì)增大晶粒尺度，導(dǎo)致力學(xué)性能降低。通過調(diào)整工藝參數(shù)組合來控制熔池形貌、晶粒生長(zhǎng)尺寸及織構(gòu)的形成，可以提升SLM-316L 的屈服強(qiáng)度、表面硬度以及抗拉強(qiáng)度等。

3）通過后處理可以提高SLM-316L 的性能。后處理結(jié)果表明，通過改變微觀結(jié)構(gòu)可以提高制件性能，所以應(yīng)該根據(jù)目標(biāo)最終性能需求選擇最佳后處理技術(shù)。

4）為獲取更加優(yōu)異的SLM-316L 性能，還得從在金屬微觀結(jié)構(gòu)的形成及位錯(cuò)密度、晶胞結(jié)構(gòu)和溶質(zhì)偏析等方面對(duì)凝固速率進(jìn)行更深入的研究。同時(shí)，在提升制件性能時(shí)，減少生產(chǎn)時(shí)間和降低生產(chǎn)成本也是需要考慮的問題。