不锈钢的特性及应用领域：不锈钢的组织和性能
不锈钢的特性及应用领域：不锈钢的组织和性能1.2 试验方法试验材料为304不锈钢和316L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275W 扫描速度为1000mm/s 层 厚为0.05mm 扫描间距为0.08mm。304不锈钢及316L不锈钢的化学成分如表1所示。304不锈钢和316L 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304不锈钢和316L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
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304及316L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:TG115.21 文献标志码:A 文章编号:1001-4012(2022)06-0046-04
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]。
304不锈钢和316L 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304不锈钢和316L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304不锈钢和316L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275W 扫描速度为1000mm/s 层 厚为0.05mm 扫描间距为0.08mm。304不锈钢及316L不锈钢的化学成分如表1所示。
1.2 试验方法
将304不锈钢及316L 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 EVO MA15型扫描电子显微镜对试样进行分析 同时利 用布鲁克 QUANTTAX400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。304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;316L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 304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。316L 不 锈 钢 材 料 3D 打印横向试样的组织形态与304不锈钢材料3D 打 印横向试样的结构相似 但316L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316L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304不锈钢及316L 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 316L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304不锈钢和316L 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 316L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316L 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304不锈钢和316L 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。304不锈钢材料3D打印试样比316L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316L不锈钢材料3D 打印试样和普通316L 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316L不锈钢材料 试样的力学性能比普通316L 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 316L不锈钢材料3D打印试样明 显比304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316L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316L不锈钢材料3D打印试样的综合性能优 于304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)304不锈钢和316L不锈钢在相同的3D 打 印工艺下 316L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316L不锈钢材料。
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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)>
