摘要:采用金相检验、扫描电镜分析等方法对激光融化技术制备的及L不锈钢进行分析。结果表明:材料的轴向结构在增材制造沉积过程中会有不同层间的热传递,其组织的均匀性受到影响;材料的区域成分没有明显偏差,不存在成分偏析及次相的析出;熔体的重力作用会使材料在纵向存在各向异性。
关键词:增材制造;不锈钢;显微组织;性能
中图分类号:TG.21文献标志码:A文章编号:-()06--04
增材制造(3D打印)技术属于快速成型生产技术,在对工件进行数字模型构建的基础上,采用3D打印设备将树脂或塑料进行熔融、烧结等,再通过逐层成型来完成精密成型制造。该技术具有定制化的特点,广泛应用于航空航天、军事机械、人造骨骼、土木工程模具、饰品生产等领域。其中,选择性激光融化技术(SLM技术)是利用金属粉末在高能激光束热源的作用下完全熔化,经散热凝固后与基体金属冶金焊合,再逐层累积成型的一种金属3D打印技术,目前已成为金属精密成型领域重要的前沿技术之一[1-2]。
不锈钢和L不锈钢是低碳奥氏体不锈钢,具有较好的力学加工和耐腐蚀性能,广泛用于汽车配件、医疗器械、建筑材料等领域。在这些领域中,随着工艺化定制需求的日益增长,关于不锈钢3D打印技术的研究需求也在不断增加。笔者采用易博三维公司生产的IGAM-I型金属3D打印设备,用SLM技术对不锈钢和L不锈钢进行快速成型,分析其成型组织的性能特点,为优化不锈钢的SLM工艺奠定了基础。
1试验材料及试验方法
1.1试验材料的制备
试验材料为不锈钢和L不锈钢粉末,粒径为15μm~53μm,采用IGAM-I型金属3D打印设备,得到规格(直径×长度)为10mm×15mm的圆柱。激光功率为W,扫描速度为mm/s,层厚为0.05mm,扫描间距为0.08mm。不锈钢及L不锈钢的化学成分如表1所示。
1.2试验方法
将不锈钢及L不锈钢材料3D打印试样沿着垂直于打印方向(横向)及打印方向(纵向)进行切割,用美国标乐制样设备进行加工和磨抛后,用氯化铁-盐酸溶液对试样进行腐蚀。使用蔡司M2M型光学显微镜对试样进行金相检验,用蔡司EVOMA15型扫描电子显微镜对试样进行分析,同时利用布鲁克QUANTTAX型能谱仪对试样微区进行分析,观察区域成分的均匀性。
2试验结果
2.1金相检验结果
利用光学显微镜观察经过磨抛的试样,发现横向试样上局部存在孔洞和微裂纹,孔洞和微裂纹分布不均匀。不锈钢材料3D打印试样的孔洞和裂纹较多,裂纹多为沿晶裂纹,缺陷没有明显的分布规律;L不锈钢材料3D打印试样的横截面几乎没有明显裂纹,孔洞较少且形状较为圆润,局部位置有成排分布的趋势,如图1所示。
用光学显微镜观察腐蚀后的不锈钢材料3D打印试样,不锈钢材料3D打印横向试样的组织呈现横纵交错的编织状结构,局部呈现花纹结构,将花纹结构放大观察,发现了更微观的编织状结构,整个截面的编织状结构不均匀。L不锈钢材料3D打印横向试样的组织形态与不锈钢材料3D打印横向试样的结构相似,但L不锈钢材料3D打印横向试样编织状结构整体更为均匀,结构更为规则,两种不锈钢材料3D打印横向试样腐蚀后的微观形貌如图2所示。
用光学显微镜观察腐蚀后的L不锈钢材料3D打印纵向试样,其纵向截面的孔洞和裂纹也较少,组织形态呈现鱼鳞状结构,“鳞片”生长方向为3D打印生长方向的逆方向(见图3)。
2.2扫描电子显微镜分析结果
用扫描电子显微镜分析不锈钢及L不锈钢材料横向试样,发现两种材料横纵交错纤维结构的微观形貌相同,都呈现蜂窝状结构或管型结构,表现出各向异性,L不锈钢材料3D打印横向试样腐蚀后的微观形貌如图4所示。
采用扫描电子显微镜对不锈钢和L不锈钢两种材料的3D打印纵向试样进行分析,发现二者放大后的微观形貌相同,“鳞片”形态在高倍下呈现蜂窝状结构,L不锈钢材料3D打印纵向试样腐蚀后的微观形貌如图5所示。在同一个微熔池下可以观察到多个晶粒,而在晶粒中可观察到多个存在各向异性的亚晶胞。由于其各向异性,有些亚晶胞在截面上呈现近等轴状的胞状结构,有些亚晶胞则呈现类豆荚状的柱状结构。
利用能谱仪对L不锈钢材料3D打印横向试样的微区进行分析,发现试样的成分基本均匀,无局部元素偏聚及二次相析出,其能谱分析结果如图6所示。
2.3硬度测试结果
用布氏硬度计对不锈钢和L不锈钢材料3D打印试样分别进行宏观硬度测量,结果如表2所示。不锈钢材料3D打印试样比L不锈钢材料3D打印试样的硬度低,但均在标准范围内。
2.4力学性能测试结果
对L不锈钢材料3D打印试样和普通L不锈钢试样分别进行拉伸试验,结果如表3所示,由表3可知,用3D打印技术制备的L不锈钢材料试样的力学性能比普通L不锈钢材料试样的屈服强度和抗拉强度都大,伸长率也有所增大。
3综合分析
不锈钢材料3D打印横向试样编织状的层叠形貌明显,许多位置的编织状纤维部分形貌光滑、结构连贯、形态均匀。原材料颗粒在逐层快速高温熔融后的快速冷却堆积过程中,后沉积层在高温沉积时放出的热量传递给前沉积层,这种反复微区热处理必然会对前沉积层产生影响,而出现工件不同区域的组织不均[3-4]。
纵向试样上的鱼鳞状结构特点说明大量金属颗粒经过激光轰击熔化后,处在短暂熔融期的金属小液滴在重力作用下有向下滴落的运动趋势,其迅速凝固后,保留了这一特点,所以每一熔积层结构的下端会有近圆形的形貌呈现出来,凝固后的纵向试样存在明显的各向异性,最终形成了类似鱼鳞状的形态[5-6]。
在相同工艺下,L不锈钢材料3D打印试样明显比不锈钢材料3D打印试样的致密性更好,缺陷和孔洞更少,均匀性更佳,同时也说明L不锈钢材料3D打印试样不同位置的硬度较为均匀。这是因为添加的钼元素使其淬透性更强,有利于3D打印过程中快速成型,且具有回火稳定性,对于钢的延展性和耐磨性具有正向作用[7],可提高钢的热强度。最终成型的L不锈钢材料3D打印试样的综合性能优于不锈钢材料3D打印试样。
4结语
(1)SLM打印技术可得到结构致密且均匀、力学性能良好的定制化材料,该工艺制得的材料具有较好的轴向均匀性,同时存在生长方向的各向异性。
(2)不锈钢和L不锈钢在相同的3D打印工艺下,L不锈钢材料试样的组织结构更为均匀,缺陷更少,硬度略高,其综合性能更优。
(3)不同不锈钢材料需要选取不同的3D打印工艺,上述工艺较适合L不锈钢材料。
参考文献:
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文章来源材料与测试网期刊论文理化检验－物理分册58卷6期(pp:46-49)
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