简介概要

扫描速度对激光快速成型316L不锈钢组织性能的影响

来源期刊：稀有金属2002年第2期

论文作者：章萍芝席明哲张永忠石力开程晶

关键词：激光快速成型; 316L; 不锈钢; 激光功率;

摘要：研究了在激光功率900W 条件下,扫描速度对激光快速成型不锈钢零件组织、性能的影响.在各扫描速度下,所成型的不锈钢薄壁板件的组织均为枝晶组织.随扫描速度提高,不锈钢薄壁板的定向生长树枝晶组织细化,枝晶间距变小.同时其沿X方向的机械性能(抗拉强度及硬度)降低.

稀有金属 2002,(02),93-97 DOI:10.13373/j.cnki.cjrm.2002.02.003

扫描速度对激光快速成型316L不锈钢组织性能的影响

张永忠章萍芝石力开程晶

北京有色金属研究总院,北京有色金属研究总院,北京有色金属研究总院,北京有色金属研究总院,北京有色金属研究总院北京100088 ,北京100088 ,北京100088 ,北京100088 ,北京100088

摘要：

研究了在激光功率 90 0W条件下 , 扫描速度对激光快速成型不锈钢零件组织、性能的影响。在各扫描速度下 , 所成型的不锈钢薄壁板件的组织均为枝晶组织。随扫描速度提高 , 不锈钢薄壁板的定向生长树枝晶组织细化 , 枝晶间距变小。同时其沿X方向的机械性能 (抗拉强度及硬度 ) 降低

关键词：

激光快速成型;316L不锈钢;激光功率;

中图分类号： TG142

收稿日期：2001-08-05

基金：国家“973”计划资助项目 (G2 0 0 0 6 72 0 5 1);

Influence of Scanning Velocity on Microstructure and Mechanical Properties of 316L Stainless Steel Fabricated by Laser Rapid Prototyping

Abstract：

The influence of the laser scanning velocity on the microstructure and mechanical properties of the 316L stainless steel thin wall plate by laser direct forming was investigated. The results show that the obtained microstructure of the thin wall of stainless steel is composed of directionally solidified dendrites under varied scanning velocity, when laser power is 900W. Both the dendrite arm spacing and the transverse mechanical properties (the tensile strength and hardness) of the laser formed thin wall plate decrease with the increasing beam scanning rate.

Keyword：

Laser rapid prototyping; 316L stainless stell; Laser power;

Received： 2001-08-05

金属零件激光快速成型技术集计算机辅助设计、激光熔覆、快速成型于一体, 通过激光熔化同轴输送的金属粉末, 在基板上逐层熔化堆积而形成致密的金属零件, 沉积基板的运动通过实体模型经切片分层处理后形成的二维平面信息来控制。该技术是在无需任何硬质工模具的情况下, 根据计算机 CAD 实体模型, 通过逐点、逐层添加材料获得完全致密金属零件的先进技术 ^[1,2] 。目前, 对激光快速成型具有实际使用功能的致密金属零件的研究, 已引起更为广泛的关注, 许多发达国家正大力开发该技术 ^[3,4,5] , 并取得了显著成果。本文着重研究激光扫描速度对所成型的不锈钢薄壁板件组织及性能的影响。

1 实验材料及方法

实验材料为 316L 不锈钢粉末, 化学成分为 12%～14%Ni, 16%～18% Cr, 2%～3% Mo, 余量Fe (质量分数) , 粉末粒度60 μm。采用45号钢加工成 100 mm×50 mm×10 mm 的长方形块作为基板。为提高基板对激光束的吸收率, 在基板表面涂覆增强激光吸收率涂层。为使要成型的不锈钢薄壁板件最初几层与基板良好结合, 保证成型过程中热量均匀散失, 采用成型时工艺参数在基板上的成型路径上进行预热。实验采用 2kW 横流 CO₂ 激光器, 光斑直径为 1.8 mm。激光输出功率分别为 900W, 扫描速度分别为 3, 5, 7 mm/s。送粉速率为 5 g/min。为研究所成型零件的力学性能, 采用相同工艺参数制备不锈钢薄壁板件, 在如图1所示的薄壁板上用线切割切取平行于基板X方向的片状拉伸试样, 化学成分分析沿金属薄壁的X及Y方向。金相观察面为垂直于基板的 Y-Z 横断面及平行于基板的 X-Z

图1 成型不锈钢薄壁板件金相观察及力学性能、成分取样部位示意图

Fig.1 Schematic of thin wall of 316L stainless steel and location of sample cut

截面。在AG-50KNE拉伸试验机上进行拉伸试验, 加载速率为 5 mm/s。

2 实验结果与分析

图2是在激光功率为 900W, 扫描速度 3 mm/s 条件下的不锈钢薄壁板件, 薄壁板件的尺寸为高 80 mm, 长 80 mm, 壁厚 3.1 mm。从图中可以看出, 所成型不锈钢薄壁板件为层层堆砌而成, 且形状正确、规整, 壁厚均匀, 成型零件尺寸与设计尺寸完全相符。同时表面光洁, 为成型后的原始状态。图3为不锈钢薄壁板件壁厚随扫描速度变化曲线, 可以发现, 不锈钢薄壁板件的壁厚随扫描速度的提高而降低。实验发现, 在基板经过预热, 激光功率≥350W 条件下, 所成型不锈钢薄壁板件的壁厚要比激光光斑直径 (1.8 mm) 大, 这种现象随激光功率提高和扫描速度降低更为剧烈。分析认为, 薄壁板件的壁厚应与激光熔池直径相等, 激光在基板上聚焦形成熔池, 由于基板的传热, 使得熔池的直径要比光斑直径大, 这种趋势随激光功率提高和扫描速度降低更加明显。因此, 在保证成型薄壁板件的性能要求下, 可通过调节激光功率和扫描速度来控制薄壁板件的壁厚。

图2 激光快速成型的薄壁板件

Fig.2 Photo of thin wall of 316L stainless steel fabricated by laser direct forming

图3 不锈钢薄壁板壁厚随扫描速度变化曲线

Fig.3 Thickness of thin wall of 316L stainless steel vs scanning velocity

图4 (a) 为激光功率 900W、扫描速度3 mm/s 条件下, 不锈钢薄壁板件 Y-Z 截面的金相组织。如图所示, 该组织由均匀的且与基板垂直的定向生长树枝晶组成。图4 (b) 为扫描速度 5 mm/s, 不锈钢薄壁板件 Y-Z 截面的金相组织, 与图4 (a) 中的组织相似, 但枝晶细化, 枝晶间距减小。图4 (c) 为扫描速度 7 mm/s, 不锈钢薄壁板件 Y-Z 截面的金相组织, 组织为相互平行的且与基板垂直的枝晶, 与图4 (a) 、 (b) 中的组织相比, 枝晶间距更小。图4 (d) 为扫描速度 7 mm/s, 不锈钢薄壁板件 X-Z 截面的金相组织, 组织为 Y-Z 截面枝晶组织的横断面的形貌。在激光功率为 900W 条件下, 不锈钢薄壁板件 Y-Z 截面的金相组织均由相互平行且与基板垂直的枝晶组成, 原因是激光熔池中的液态金属在冷却凝固过程中, 热量主要沿着垂直于基板Y的负方向上散失, 凝固具有方向性, 所以形成与基板垂直的枝晶组织。但随扫描速度升高, 枝晶变细。分析认为, 扫描速度高, 激光与材料交互作用时间短, 所形成的激光熔池的温度梯度在垂直于基板Y方向占绝对优势, 而在X方向则温度梯度很小, 因此在激光熔池冷却过程中, 沿Y方向的一次枝晶臂生长很快, 沿X方向的二次枝晶臂生长有限, 所以形成沿Y方向定向生长的树枝晶。扫描速度低, 激光与材料交互作用时间长, 所形成的激光熔池的温度梯度虽然在垂直于基板Y方向占较大优势, 但在X方向的温度梯度与高速扫描条件下熔池在X方向的温度梯度相比要大, 因此在沿Y方向的一次枝晶壁生长的同时, 沿X方向的二次枝晶臂有相对多的生长, 所以形成的枝晶沿Y方向较短。

图5为不锈钢薄壁板件的抗拉强度、延伸率随扫描速度变化曲线。如图5所示, 不锈钢薄壁板件的抗拉强度、延伸率随着激光扫描速度的升高而下降。扫描速度越高, 薄壁板件的抗拉强度、延伸率下降幅度越大。分析原因, 参见图4 (a) 、 (b) 、 (c) , 由图可见, 随着激光扫描速度的提高, 不锈钢薄壁板件的 Y-Z 截面的与基板垂直的定向生长树枝晶的定向生长特征更加明显, 组织变得越来越细, 不锈钢薄壁板件的这种组织特点, 可能使得薄壁板件的机械性能沿垂直于基板的Y方向具有方向性。而拉伸试样的拉伸方向为与基板平行的X方向。图6为不锈钢薄壁板件的维氏硬度随扫描速度变化曲线。如图6所示, 不锈钢薄壁板件的维氏硬度随扫描速度升高而降低。分析认为, 由于激光快速成型是一个连续的热过程, 在成型过程中, 激光扫描速度提高, 则每一沉积层的厚度降低。据实验记录, 在扫描速度 7 mm/s 时, 每一沉积层的平均厚度为 0.279 mm, 扫描速度 3 mm/s, 每一沉积层的平均厚度为0.458 mm。因此, 成型同样高度的不锈钢薄壁板件, 在扫描速度高的条件下, 则需要更多的扫描层数, 所以不锈钢薄壁板件将受到更多次的反复加热。薄壁板件的硬度随扫描速度提高而降低可能与此有关。