楊威，甘新基

北華大學(xué) 吉林吉林 132000

1 序言

316L不銹鋼具有優(yōu)異的耐蝕性、力學(xué)性能和易加工性，被廣泛應(yīng)用于醫(yī)療、化工、食品加工、海洋工程和造紙工程等制造領(lǐng)域[1]。增材制造（AM）技術(shù)是基于離散-堆積的原理，由零件三維模型數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)直接制造零件的一種新技術(shù)[2-5]。近年來(lái)，隨著社會(huì)需求的增加，且金屬增材制造技術(shù)在復(fù)雜部件的制造上與其他加工方式相比具有巨大優(yōu)勢(shì)，因此被廣泛應(yīng)用于諸多領(lǐng)域高性能組件。選擇性激光熔化（SLM）技術(shù)是增材制造中最重要技術(shù)之一[6]。在SLM制造過(guò)程中，各種工藝參數(shù)對(duì)零件的微觀結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能有著極大的影響[7，8]。不適當(dāng)?shù)墓に嚪桨缚赡軙?huì)在增材制造部件中產(chǎn)生如裂紋、未熔合孔等缺陷[9]，進(jìn)而影響最終成品的致密度與力學(xué)性能。而增材制造部件的破壞往往從未熔合孔缺陷開(kāi)始發(fā)展，進(jìn)而造成零件的損壞，最終導(dǎo)致不可逆的損失[10]。因此，合理選擇工藝參數(shù)，對(duì)于減少零件內(nèi)部缺陷十分重要。ZHANG等[11]研究表明，通過(guò)細(xì)金屬粉末的熔合和再凝固，SLM可以制造接近完全致密的金屬部件。KRUTH等[12]研究證明，在使用金屬粉末制造金屬部件時(shí)，也有可能達(dá)到良好的致密度和力學(xué)性能。BRENNAN等[13]研究發(fā)現(xiàn)未熔合孔缺陷呈不規(guī)則形貌，大小從50μm到幾毫米，可能存在未熔化的粉末。房冬青等[14]研究發(fā)現(xiàn)，在激光增材制造過(guò)程中，粉末熔化時(shí)其中的氣體會(huì)保留在熔池中，由于熔池的凝固速度大于氣體的逃逸速度，因此熔池中會(huì)形成規(guī)則的圓形孔隙。王沛等[15]研究了工藝參數(shù)與缺陷的關(guān)系，并通過(guò)調(diào)整工藝參數(shù)獲得了致密度為95.62%的產(chǎn)品。

本文從工藝參數(shù)出發(fā)，仿真結(jié)合試驗(yàn)，縮短了獲得優(yōu)化工藝的時(shí)間。通過(guò)對(duì)SLM316L不銹鋼的單熔道仿真，分析熔池尺寸，確定使熔池穩(wěn)定的掃描速度與掃描功率的組合，在此基礎(chǔ)上對(duì)內(nèi)部缺陷進(jìn)行仿真，分析孔隙率，最終進(jìn)行打印試驗(yàn)驗(yàn)證，并分析了掃描間距與試樣性能和缺陷的關(guān)系，以優(yōu)化SLM316L不銹鋼的成形工藝。本文的研究為SLM實(shí)際生產(chǎn)316L產(chǎn)品提供理論支持。

2 基于Ansys Additive的熔池與內(nèi)部缺陷仿真

激光選區(qū)熔化（SLM）成形技術(shù)是一個(gè)連續(xù)且快速的過(guò)程，較高的能量輸入使合金粉末快速熔化，不間斷地熔化凝固過(guò)程也使材料有著良好的冶金結(jié)合。單道掃描質(zhì)量對(duì)于整個(gè)過(guò)程的質(zhì)量有著十分重要的影響，并且單道的研究也是對(duì)整個(gè)過(guò)程進(jìn)行分離觀察的一種良好的方案。單個(gè)熔道的形態(tài)參數(shù)主要包括熔池的尺寸（見(jiàn)圖1），即包括熔池的寬度、長(zhǎng)度和深度；能量輸入的大小是影響熔池形態(tài)尺寸的關(guān)鍵因素，在模擬仿真時(shí)能量參數(shù)體現(xiàn)為激光掃描速度和激光功率。因此，進(jìn)行模擬仿真時(shí)主要是對(duì)激光功率和掃描速度進(jìn)行不同組合的定義來(lái)進(jìn)行仿真研究。參考現(xiàn)在試驗(yàn)所用SLM設(shè)備產(chǎn)品數(shù)據(jù)，進(jìn)行有關(guān)激光打印參數(shù)對(duì)單道熔池尺寸影響的仿真分析。

圖1 熔池尺寸

使用Ansys Additive（2022R1）進(jìn)行仿真研究，以預(yù)測(cè)各種激光功率和速度組合的密度。該模擬的目的是研究在316L不銹鋼立方體樣品中獲得更高致密度（99%以上）所需的激光功率和掃描速度的最佳組合。使用的Ansys版本預(yù)測(cè)了未熔合孔隙率。目前，該有限元模型無(wú)法預(yù)測(cè)匙孔和球化效應(yīng)產(chǎn)生的其他類型孔隙率[16]。為了過(guò)濾掉產(chǎn)生不穩(wěn)定熔池和不適合達(dá)到高密度的功率和速度組合，采用了基于熔池尺寸的尺寸標(biāo)準(zhǔn)[17]。圖1所示為標(biāo)準(zhǔn)中使用的熔池尺寸，中位深度d是指實(shí)際熔池深度減去層厚度，或者是從第一層底部開(kāi)始的熔池深度。同樣，中位寬度w和中位長(zhǎng)度l分別表示第一層底部（基材起點(diǎn)）熔池的寬度和長(zhǎng)度。中位數(shù)尺寸比平均熔池尺寸更可取，因?yàn)楫?dāng)熔池不完全穩(wěn)定時(shí)，平均值在軌道開(kāi)始時(shí)是傾斜的。此標(biāo)準(zhǔn)基于以下3個(gè)條件。

1）熔池中位深度d應(yīng)至少達(dá)到下面第3層固化層的一半，以實(shí)現(xiàn)充分的粘合，因?yàn)閷雍駷?0μm（0.05mm），需要熔池深度至少為0.125mm，這對(duì)應(yīng)于熔池中位深度為0.0625mm。

2）熔池中位深度d與中位寬度w之比應(yīng)低于0.95，以避免熔池過(guò)度滲透到固化層中，否則可能導(dǎo)致形成鎖孔。

3）熔池中位長(zhǎng)度l與中位寬度w之比應(yīng)低于4.0，這樣熔池就不會(huì)因被拉得太長(zhǎng)而導(dǎo)致通常與高功率和高速度相關(guān)的球化效應(yīng)。

為了預(yù)測(cè)密度并優(yōu)化工藝參數(shù)，在不同的激光功率和掃描速度組合下，進(jìn)行了SLM仿真。首先，模擬了一個(gè)4mm邊長(zhǎng)的方形區(qū)域，設(shè)置光斑直徑為90μm，層厚為50μm。仿真過(guò)程分為以下兩個(gè)步驟。

1）進(jìn)行單熔道模擬：在長(zhǎng)度為4mm的區(qū)域內(nèi)進(jìn)行了單道熔頭沉積的模擬，以評(píng)估各種功率和速度組合下發(fā)生的熔池尺寸。通過(guò)該步驟，可以篩選掉會(huì)產(chǎn)生不穩(wěn)定熔池的參數(shù)組合。

2）進(jìn)行致密化模擬：選擇表現(xiàn)良好的功率和速度組合，應(yīng)用于4mm的方形區(qū)域，進(jìn)行更密集的模擬。這樣做可以避免多次迭代，并縮小輸入?yún)?shù)范圍，提高效率。

通過(guò)以上仿真步驟，可以預(yù)測(cè)不同激光功率和掃描速度組合對(duì)熔池尺寸和整體致密度的影響，并選擇最佳參數(shù)組合以獲得高質(zhì)量的制造結(jié)果。

2.1 單熔道仿真分析

仿真中，設(shè)定基板溫度為8 0 ℃，層厚為0.05mm，激光束直徑為0.09mm，以50W為增量輸入100～300W的功率，并以100mm/s為增量輸入700～1300mm/s的掃描速度進(jìn)行仿真試驗(yàn)。模擬預(yù)測(cè)基于穩(wěn)定熔池尺寸標(biāo)準(zhǔn)選擇的候選參數(shù)組合幾乎是完全致密的樣品（99.9%）。分析結(jié)果如圖2所示。

圖2 激光功率與掃描速度的組合

1）用綠色點(diǎn)表示良好的候選功率與速度組合。

2）黃色點(diǎn)代表的激光功率與掃描速度組合超出了熔池參考深度可接受的標(biāo)準(zhǔn)，表明熔池不夠深。黃點(diǎn)位于具有高掃描速度和低激光功率（即低能量密度）的區(qū)域，這可能會(huì)導(dǎo)致層與層之間產(chǎn)生未熔合孔缺陷。

3）藍(lán)色點(diǎn)表示激光功率和掃描速度組合超出了對(duì)深度與寬度之比的可接受標(biāo)準(zhǔn)，表明熔池太深。藍(lán)點(diǎn)位于掃描速度低且激光功率高（即高能量密度）的區(qū)域中，這很可能會(huì)導(dǎo)致形成匙孔缺陷。

4）紫色點(diǎn)表示超出了可接受的長(zhǎng)寬比標(biāo)準(zhǔn)的激光功率和掃描速度組合，表明熔池可能太長(zhǎng)。這是具有最高速度和最高功率的區(qū)域，該區(qū)域可能會(huì)產(chǎn)生飛濺和球化現(xiàn)象。下面將在孔隙率模擬中進(jìn)一步驗(yàn)證良好的候選組合。

2.2 致密化仿真分析

本次仿真計(jì)算的幾何體為邊長(zhǎng)4mm的立方體，設(shè)定基板的預(yù)熱溫度為80℃，激光功率為200W。掃描速度為700mm/s，鋪粉層厚度為50μm，起始激光角為57°，旋轉(zhuǎn)激光角為67°，然后改變激光的掃描間距進(jìn)行仿真計(jì)算，以0.01mm為增量輸入0.05～0.14mm的掃描間距。對(duì)結(jié)果進(jìn)行處理可得致密度與孔隙率隨掃描間距的變化曲線，如圖3所示。從圖3可觀察到，當(dāng)掃描速率等其他參數(shù)不變時(shí)，隨著掃描間距增加至0.12mm，成形材料的致密度隨之下降，掃描間距為0.14mm左右時(shí)達(dá)到99.93%；而成形材料的未熔合孔隙率在0.07%。

圖3 致密度與孔隙率隨掃描間距的變化曲線

3 試驗(yàn)材料與方法

試驗(yàn)使用中瑞科技ISLM150作為試驗(yàn)平臺(tái)，其參數(shù)范圍見(jiàn)表1。使用霧化316L不銹鋼粉末作為起始材料，制作SLM樣品進(jìn)行微觀結(jié)構(gòu)表征，化學(xué)成分見(jiàn)表2。粉末顆粒呈球形，粒徑為15～53μm。SLM制作尺寸為4mm×0.5mm×0.5mm的長(zhǎng)條形試樣，如圖4所示。

表1 ISLM150參數(shù)

表2 316L鋼粉化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

圖4 長(zhǎng)條形試樣

在該研究中，所有的樣品都是在殘余氧含量為0.5%的氮?dú)猸h(huán)境下構(gòu)建的。為了保持一致性，以下條件保持不變：激光功率為200W，掃描速度為700mm/s，層厚為0.05mm。起始激光角為57°，后續(xù)層之間進(jìn)行67°的掃描旋轉(zhuǎn)。

為了研究掃描間距對(duì)樣品制造的影響，使用了0.010mm的增量，在0.05～0.14mm內(nèi)制作了一系列樣品。對(duì)于每組參數(shù)，打印了多個(gè)樣品以進(jìn)行測(cè)試和分析。通過(guò)保持這些參數(shù)的一致性，并測(cè)試多個(gè)樣品，可以更好地理解不同掃描間距對(duì)制造過(guò)程的影響，并獲得可靠的結(jié)果。

4 試驗(yàn)結(jié)果與分析

4.1 致密度測(cè)量

使用紀(jì)銘A6-001電子秤以稱重法對(duì)每組樣品進(jìn)行致密度測(cè)量并取均值，測(cè)量結(jié)果如圖5、圖6所示。從圖5、圖6可看到，掃描間距對(duì)成形致密度有著較明顯的影響，隨著掃描間距的增大，樣品的平均致密度逐漸減小。

圖5 掃描間距與平均致密度

圖6 仿真致密度與試驗(yàn)致密度

根據(jù)致密化仿真和試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析結(jié)果表明，在具有穩(wěn)定熔池的掃描功率與掃描速度組合下，隨著掃描間距的增大，樣品的致密度會(huì)減小。此外，在相同的工藝參數(shù)條件下，試驗(yàn)樣品的致密度略低于對(duì)應(yīng)的仿真致密度。例如，當(dāng)掃描間距為0.05mm時(shí)，樣品的最高致密度為98.86%，而仿真致密度為100%；當(dāng)掃描間距逐漸增大至0.14mm時(shí)，試驗(yàn)致密度下降至97.04%，而仿真致密度為99.93%。

綜上所述，試驗(yàn)數(shù)據(jù)與仿真數(shù)據(jù)趨勢(shì)相同，都表明了孔隙率隨著掃描間距的增加有增加的趨勢(shì)，但兩者之間存在差異，在對(duì)缺陷的分析中，發(fā)現(xiàn)存在著除未熔合孔之外的孔隙。

4.2 缺陷

采用源興RX-200顯微鏡對(duì)316L-SLM試樣的缺陷進(jìn)行了分析。圖7由每組工藝參數(shù)中選出的2幅典型圖片組成，從圖7可看出，在其他參數(shù)保持不變的情況下，隨著掃描間距的增大，試樣的中心部位觀察到不規(guī)則的孔隙（未熔合孔），并且尺寸有超過(guò)200μm的個(gè)體，出現(xiàn)得更密集。此外，還可觀察到，無(wú)論掃描間距如何變化，總能觀察到一些接近圓形的孔隙。當(dāng)掃描間距為0.09mm時(shí)，樣品的邊緣部位出現(xiàn)尺寸更大的不規(guī)則孔隙，且當(dāng)掃描間距為0.1mm時(shí)，觀察到未熔合孔中間出現(xiàn)了球形金屬截面。不規(guī)則孔隙的方向與邊緣的方向基本一致，這可能是由掃描策略導(dǎo)致的。在每組樣品中隨機(jī)選取10幅圖片，并對(duì)缺陷數(shù)量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，結(jié)果如圖8所示。從圖8可看出，未熔化孔的數(shù)量有隨著掃描間距的增加而增加的趨勢(shì)。未熔化粉末的數(shù)量較少，有增加的趨勢(shì)。而氣孔的數(shù)量沒(méi)有明顯的變化趨勢(shì)。

圖7 從a～j對(duì)應(yīng)掃描間距從0.05～0.14mm試樣的截面圖像

圖8 三種缺陷在不同工藝組合中的數(shù)量

不同參數(shù)組合下對(duì)尺寸超過(guò)50μm、100μm、200μm的未熔合孔進(jìn)行的統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)果如圖9所示。從圖9可看出，隨著掃描間距的增加，不同大小的未熔合孔的數(shù)量均有增加的趨勢(shì)。

圖9 不同尺寸未熔合孔在不同工藝組合中的數(shù)量

仿真與試驗(yàn)得到的數(shù)據(jù)趨勢(shì)相同，驗(yàn)證了仿真的有效性

5 結(jié)束語(yǔ)

本文采用仿真結(jié)合試驗(yàn)對(duì)SLM制造高致密度316L不銹鋼零件的工藝參數(shù)進(jìn)行了探究，相比只通過(guò)試驗(yàn)對(duì)工藝進(jìn)行探究的方法節(jié)約了時(shí)間和經(jīng)濟(jì)成本。首先，通過(guò)單道模擬確定獲得穩(wěn)定熔池的激光功率和掃描速度的組合為200W、700mm/s；其次，改變掃描間距對(duì)上述模擬得出的合適的激光功率和掃描速度組合進(jìn)行孔隙率模擬，通過(guò)對(duì)應(yīng)試驗(yàn)制造試樣，研究了掃描間距對(duì)材料微觀缺陷和致密度的影響，最終得到最佳成形工藝組合為激光功率200W、掃描速度700mm/s、掃描間距0.05mm，此時(shí)致密度最高，未熔合缺陷數(shù)量最少。