激光增材制造成形316L不銹鋼的研究進(jìn)展

李 超

(包頭職業(yè)技術(shù)學(xué)院，包頭 014030)

0 引 言

316L不銹鋼是一種含有質(zhì)量分?jǐn)?shù)16.5%～18.5%鉻以及少量鎳、鉬、錳等合金元素的奧氏體不銹鋼，是目前應(yīng)用最廣泛的不銹鋼材料之一[1-2]。鑄造316L不銹鋼一般晶粒粗大，強(qiáng)度低，因此在許多特定工況下的應(yīng)用受限[3]。可應(yīng)用多種強(qiáng)化機(jī)制來(lái)提高鑄造316L不銹鋼的強(qiáng)度，例如通過(guò)大變形量塑性變形來(lái)制備納米晶316L不銹鋼以提高其強(qiáng)度，但其塑性也大幅度降低[4]。此外，鑄造316L不銹鋼一般需要進(jìn)行后續(xù)加工處理，如熱機(jī)械加工等，其工序復(fù)雜，生產(chǎn)周期長(zhǎng)，且不便于成形復(fù)雜形狀的316L不銹鋼零件。因此，如何在兼顧力學(xué)性能的同時(shí)，又能快速制備形狀復(fù)雜的316L不銹鋼零件，是大規(guī)模生產(chǎn)需要解決的關(guān)鍵問(wèn)題。

與傳統(tǒng)冶金技術(shù)不同，激光增材制造技術(shù)是一門(mén)基于離散與堆積原理，利用激光作為熱源，通過(guò)分層制造、逐層疊加的方式自下而上成形復(fù)雜三維零件的技術(shù)[5-6]。激光增材制造無(wú)需模具，大大縮短了零件生產(chǎn)周期。此外，激光增材制造可以快速成形復(fù)雜形狀的零件，甚至在零件內(nèi)部引入一些微結(jié)構(gòu)，且一次成形，無(wú)需后續(xù)機(jī)械加工。激光增材制造過(guò)程在本質(zhì)上是熔池快速凝固的過(guò)程，其高溫度梯度和極快的冷卻速率能夠使成形件獲得多尺度的組織特征以及優(yōu)異的力學(xué)性能[7]。鑒于以上優(yōu)勢(shì)，利用激光增材制造技術(shù)成形316L不銹鋼零件在近年來(lái)已經(jīng)獲得了廣泛關(guān)注，作者從熔池凝固、缺陷控制、組織及織構(gòu)、力學(xué)性能等方面綜述了激光增材制造成形316L不銹鋼的最新研究進(jìn)展，討論了該技術(shù)與傳統(tǒng)冶金方法制備316L不銹鋼的不同之處，分析了當(dāng)前激光增材制造成形316L不銹鋼存在的問(wèn)題，并對(duì)其發(fā)展前景進(jìn)行了展望。

1 激光增材制造工藝

激光增材制造包括定向能量沉積(directed energy deposition,DED)和選區(qū)激光熔化(selective laser melting,SLM)2種技術(shù)，兩者都采用高能激光束作為熱源，局部熔化金屬粉末并形成熔池，當(dāng)激光束移走時(shí)，熔池迅速凝固；但DED技術(shù)和SLM技術(shù)的工作原理不同。

DED也被稱為激光工程近凈成形[8]、激光金屬沉積[9]或激光快速成形[10]等。DED技術(shù)是典型的同軸送粉激光增材制造技術(shù)，粉末筒內(nèi)的金屬粉末通過(guò)輸送管道和特殊設(shè)計(jì)的噴嘴進(jìn)入熔池，激光束在計(jì)算機(jī)的控制下按照預(yù)定軌跡運(yùn)動(dòng)熔化金屬粉末，形成一個(gè)薄層，隨后沉積頭上移，繼續(xù)沉積下一層，如此往復(fù)逐層加工，最終得到所需零件。除了直接成形金屬零件外，DED技術(shù)還可以用于制備涂層及修復(fù)受損構(gòu)件[11]以及制備功能梯度材料[12]等。SLM是典型的粉末床激光增材制造技術(shù)，金屬粉末并非從噴嘴中噴出，而是預(yù)先均勻地鋪在粉末床上，激光束根據(jù)預(yù)定路徑選擇性地熔化粉末床，一層成形結(jié)束后，粉末床下移一定距離(1個(gè)層厚)并進(jìn)行重新鋪粉和選擇性熔化，如此往復(fù)逐層加工，最終得到所需零件。為避免316L不銹鋼零件的氧化，DED及SLM成形過(guò)程均需要在惰性氣體(如氬氣或氮?dú)?保護(hù)下進(jìn)行[13]。

除工作原理不同之外，DED與SLM的工藝參數(shù)也存在很大差異。DED激光束光斑直徑通常在600～1 300 μm[14-15]，而SLM激光束光斑直徑遠(yuǎn)小于DED，通常在15～80 μm[14,16-20]。目前，用于激光增材制造的316L不銹鋼粉末通常采用氣霧化方法制備[13,15-25]，考慮到DED與SLM的激光束光斑大小，用于DED成形的316L不銹鋼粉末粒徑通常介于45～180 μm[14,21]，而用于SLM成形的316L不銹鋼粉末粒徑通常介于5～63 μm[18-20,22,24]。DED成形過(guò)程中的激光功率P高達(dá)200～720 W，而激光掃描速度v較小，通常不足10 mm·s-1，因此激光線能量密度(EL=P/v)極高，可達(dá)數(shù)十甚至數(shù)百焦耳每毫米[14-15,21,23]；而激光線能量密度越高，激光穿透性越強(qiáng)，因此DED的層厚通常設(shè)置為254～500 μm，掃描間距通常設(shè)置為350～500 μm[14,21,23]。與DED相比，SLM通常采用更低的激光功率(60～380 W)以及更高的激光掃描速度(30～7 000 mm·s-1)，因此激光線能量密度極低，介于0.01～0.5 J·mm-1[19-20,22,26-27]。為確保不會(huì)出現(xiàn)熔合不足缺陷，SLM掃描間距和層厚必須足夠小，二者通常分別介于20～300 μm，10～60 μm[19-20,22,26-27]。DED成形過(guò)程中的溫度梯度及冷卻速率分別可達(dá)102～103K·mm-1和103～104K·s-1[28-32]，而由于SLM成形過(guò)程中激光線能量密度較低，其熔池內(nèi)部溫度梯度更大,可達(dá)103～105K·mm-1，冷卻速率更快，可達(dá)104～107K·s-1[33-36]。

2 常見(jiàn)缺陷

與傳統(tǒng)冶金技術(shù)相比，激光增材制造技術(shù)具有明顯的優(yōu)勢(shì)。但是，若工藝參數(shù)選擇不當(dāng)，可能會(huì)在成形過(guò)程中引入各種缺陷，如氣孔、未熔透及裂紋等，這些缺陷的存在會(huì)顯著降低316L不銹鋼的力學(xué)性能。因此，如何減少或消除這些缺陷是激光增材制造的關(guān)鍵問(wèn)題。

氣孔及未熔透缺陷是激光增材制造成形316L不銹鋼最常見(jiàn)的2種缺陷。其中，氣孔通常呈球形，大多源于316L不銹鋼粉末內(nèi)的氣體，粉末內(nèi)的氣孔在熔池快速凝固過(guò)程中無(wú)法完全排出而殘留在零件內(nèi)部形成氣孔[37]；惰性氣體也可能卷入熔池形成氣孔[38]；另外，在激光增材制造過(guò)程中，零件表面溫度最高，熱量通過(guò)熱傳導(dǎo)方式向內(nèi)部傳遞，形成寬而淺的熔池，但當(dāng)激光功率極高、激光掃描速度極低，即激光線能量密度極高時(shí)，熔池形成方式會(huì)由熱導(dǎo)模式向深熔模式轉(zhuǎn)變，形成窄而深的熔池通道，該通道極不穩(wěn)定，容易在熔池底部形成氣孔[39]。通常認(rèn)為當(dāng)熔池寬度與深度的比值低于某一臨界值時(shí)，深熔模式即被激發(fā)[40-41]。為了控制激光增材制造成形316L不銹鋼的氣孔率，應(yīng)當(dāng)嚴(yán)格控制316L不銹鋼粉末的氣體含量，并優(yōu)化工藝參數(shù)(如激光功率和激光掃描速度)，避免由深熔模式導(dǎo)致的氣孔。與氣孔形成機(jī)制相反，未熔透缺陷通常源于激光能量密度不足，導(dǎo)致熔入深度不夠，從而在層間形成形狀不規(guī)則、大尺寸的空洞[41]，這種缺陷一般可通過(guò)降低層厚來(lái)解決。

球化也是激光增材制造成形316L不銹鋼的常見(jiàn)缺陷之一。球化現(xiàn)象是指熔融金屬液滴無(wú)法形成連續(xù)的熔融線，而在成形件上形成的水滴型表面；球化效應(yīng)逐層累積會(huì)顯著降低零件的精度[42]。球化效應(yīng)多是成形腔內(nèi)的氧含量過(guò)高，金屬液滴表面發(fā)生氧化阻止液滴之間融合所致，因此應(yīng)嚴(yán)格控制成形過(guò)程中成形腔內(nèi)的氧含量。

316L不銹鋼屬于適合增材制造成形的金屬材料之一，但是有關(guān)激光增材制造成形316L不銹鋼的開(kāi)裂缺陷也有報(bào)道[43]。熱開(kāi)裂(或凝固開(kāi)裂)是開(kāi)裂的重要機(jī)制之一，多發(fā)生在熔池快速凝固后期，此時(shí)固相比例已經(jīng)很大，熔池被胞狀亞結(jié)構(gòu)所占據(jù)，胞狀亞結(jié)構(gòu)邊界存在液相膜;這種結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度極低，在拉應(yīng)力的作用下容易發(fā)生開(kāi)裂，而此時(shí)液體很難流入以補(bǔ)充裂紋區(qū)域，最終形成沿晶熱裂紋[44]。激光增材制造成形316L不銹鋼常見(jiàn)缺陷及其形成機(jī)制見(jiàn)表1。

表1 激光增材制造成形316L不銹鋼常見(jiàn)缺陷及其形成機(jī)制

3 顯微組織

由于高溫度梯度和高冷卻速率，激光增材制造的熔池凝固過(guò)程具有快速淬火效應(yīng)，制備得到的316L不銹鋼呈現(xiàn)出傳統(tǒng)鑄造方法無(wú)法獲得的極度非平衡組織[7],通常為典型的柱狀晶組織，柱狀晶晶粒內(nèi)部存在大量細(xì)小的胞狀亞結(jié)構(gòu)[7,20]，其組織示意見(jiàn)圖1。凝固過(guò)程(包括鑄造、焊接、激光增材制造等)中固/液界面前沿液相中的溫度梯度G和凝固前沿的生長(zhǎng)速率V共同決定晶粒及內(nèi)部亞結(jié)構(gòu)的形貌及尺寸[10,45-56]；G/V越小，越容易形成等軸晶組織，反之，則越容易形成柱狀晶組織。熔池內(nèi)部各處的溫度梯度和生長(zhǎng)速率并不相同。通常熔池底部的溫度梯度大，生長(zhǎng)速率小，容易形成柱狀晶；熔池頂部的溫度梯度小，生長(zhǎng)速率大，容易形成等軸晶。而激光增材制造采用逐層沉積的方式，為確保層間充分結(jié)合，上一層的部分材料會(huì)被重熔，因此熔池頂部的等軸晶組織通常不復(fù)存在，而熔池底部的柱狀晶通過(guò)外延生長(zhǎng)的方式逐層延伸。此外，與鑄態(tài)316L不銹鋼的樹(shù)枝晶結(jié)構(gòu)不同，激光增材制造熔池在凝固過(guò)程中冷卻速率極快，限制了二次枝晶的形成及生長(zhǎng)[8]，因此，激光增材制造時(shí)316L不銹鋼熔池固/液界面通常采用胞狀生長(zhǎng)方式向前推進(jìn)。DED成形316L不銹鋼在凝固過(guò)程中通常形成初生奧氏體組織，且在胞狀亞結(jié)構(gòu)的胞壁上有明顯的鐵素體穩(wěn)定化元素鉻、鉬元素偏析，從而促進(jìn)少量的鐵素體形成[23,57-58]。與DED相比，SLM冷卻速率更快，元素偏析效應(yīng)大大減弱，一般不足以形成穩(wěn)定鐵素體，因此SLM成形316L不銹鋼通常呈單相奧氏體組織，沒(méi)有鐵素體形成[20,59-61]。胞狀亞結(jié)構(gòu)的胞壁上除了有鉻、鉬等鐵素體穩(wěn)定化元素偏析外，相鄰胞狀亞結(jié)構(gòu)之間微小的位向差會(huì)導(dǎo)致大量位錯(cuò)偏聚在胞壁，而胞狀亞結(jié)構(gòu)內(nèi)部位錯(cuò)密度相對(duì)較低，形成典型的位錯(cuò)胞[20]。

圖1 激光增材制造成形316L不銹鋼顯微組織示意

此外，激光增材制造成形316L不銹鋼中也會(huì)形成一定的晶體學(xué)織構(gòu)。在激光增材制造過(guò)程中，熔池內(nèi)部各處熱流方向不同，但整體而言，熔池內(nèi)部熱流方向與成形方向相反。激光增材制造成形316L不銹鋼組織主要由面心立方結(jié)構(gòu)的奧氏體組成，而〈100〉方向是立方晶體生長(zhǎng)速率最快的方向，因此，激光增材制造成形316L不銹鋼通常形成沿著成形方向的〈100〉纖維織構(gòu)[60-61]。調(diào)整激光掃描策略等工藝參數(shù)可以有效調(diào)控織構(gòu)的形成，例如：SUN等[24]在SLM制備316L不銹鋼過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，通過(guò)提高激光功率、減小掃描間距可以成功制備得到沿成形方向的〈110〉纖維織構(gòu)，而非通常觀察到的〈100〉纖維織構(gòu)；SUN等[62]采用層內(nèi)雙向填充的掃描策略制備出了〈100〉、〈110〉2種纖維織構(gòu)交替排列的316L不銹鋼片層組織。

4 力學(xué)性能

4.1 拉伸性能

激光增材制造成形316L不銹鋼的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度通常分別為300～600 MPa和400～800 MPa，遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)方法制備316L不銹鋼的屈服強(qiáng)度(200～300 MPa)和抗拉強(qiáng)度(500～600 MPa)[7,59,63-65]。激光增材制造成形316L不銹鋼超高的屈服強(qiáng)度歸因于其多尺度的組織結(jié)構(gòu)，如細(xì)小晶粒(尺寸約0.2 mm)、胞狀亞結(jié)構(gòu)(直徑小于1 μm)、高密度的小角度晶界(占比可達(dá)41%)、位錯(cuò)網(wǎng)絡(luò)(尺寸約幾百納米)、析出相(尺寸10～150 nm)和局域元素偏析(小于1 nm范圍)等[7]。如此多尺度的異質(zhì)組織(跨越6個(gè)數(shù)量級(jí))也有助于316L不銹鋼屈服后穩(wěn)定持續(xù)的加工硬化。此外，如同傳統(tǒng)工藝制備316L不銹鋼，激光增材制造成形316L不銹鋼在拉伸塑性變形過(guò)程中也會(huì)產(chǎn)生納米孿晶協(xié)助變形而發(fā)生動(dòng)態(tài)霍爾佩奇效應(yīng)，有助于提高加工硬化效應(yīng)，進(jìn)而獲得高的抗拉強(qiáng)度和超高的斷后伸長(zhǎng)率[7]。激光增材制造成形316L不銹鋼的斷后伸長(zhǎng)率與材料內(nèi)部的孔隙率密切相關(guān)。SURYAWANSHI等[59]采用SLM成形316L不銹鋼時(shí)，由于工藝參數(shù)選擇不當(dāng)，不銹鋼成形件的孔隙率高達(dá)2.3%，致使成形件的斷后伸長(zhǎng)率極低，僅為12%。多數(shù)情況下，采用合適的激光增材制造工藝參數(shù)制備的316L不銹鋼可以擁有極高的斷后伸長(zhǎng)率，高達(dá)60%～70%[7,61,63-64]。

激光增材制造成形316L不銹鋼通常呈柱狀晶組織，且形成一定的晶體學(xué)織構(gòu)，這使得不銹鋼成形件的拉伸性能呈各向異性[59]；通過(guò)調(diào)控掃描策略，可以有效減弱晶體學(xué)織構(gòu)，使得屈服強(qiáng)度呈現(xiàn)各向同性[64]。然而，柱狀晶組織仍然會(huì)導(dǎo)致激光增材制造成形316L不銹鋼在不同方向拉伸過(guò)程中呈現(xiàn)出不同程度的加工硬化水平，因此不同方向的抗拉強(qiáng)度和斷后伸長(zhǎng)率仍然存在很大不同[64]。此外，傳統(tǒng)工藝制備316L不銹鋼在塑性變形過(guò)程中會(huì)激發(fā)馬氏體相變[66]，但是目前對(duì)于激光增材制造成形316L不銹鋼的塑性變形研究中，并未發(fā)現(xiàn)有變形誘導(dǎo)馬氏體相變發(fā)生[7,59,64]。

4.2 疲勞性能

激光增材制造成形316L不銹鋼的疲勞性能受到多種因素的影響，包括顯微組織、內(nèi)部缺陷、表面粗糙度以及加載方向等[67-68]。激光增材制造成形316L不銹鋼組織中的細(xì)小胞狀亞結(jié)構(gòu)對(duì)位錯(cuò)滑移和裂紋形核有明顯的阻礙作用，大大提高了316L不銹鋼的疲勞性能[68]。而激光增材制造成形后，通常需要對(duì)316L不銹鋼成形件進(jìn)行后續(xù)熱處理，在該過(guò)程中316L不銹鋼的顯微組織可能發(fā)生改變，從而影響到316L不銹鋼的疲勞性能。研究[68]表明，激光增材制造成形316L不銹鋼在470 ℃進(jìn)行去應(yīng)力退火后，其胞狀亞結(jié)構(gòu)未發(fā)生明顯變化，因此低溫去應(yīng)力退火對(duì)其疲勞強(qiáng)度影響不大。但是當(dāng)熱處理溫度足夠高時(shí)，會(huì)對(duì)激光增材制造成形316L不銹鋼的胞狀亞結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響，從而影響其疲勞性能。例如，ELANGESWARAN等[68]對(duì)激光增材制造成形316L不銹鋼分別進(jìn)行了1 060 ℃完全退火處理和1 155 ℃熱等靜壓處理，發(fā)現(xiàn)316L不銹鋼中的胞狀亞結(jié)構(gòu)消失，其疲勞強(qiáng)度大大下降，但其塑性得到了改善。

內(nèi)部缺陷及較大的表面粗糙度會(huì)顯著降低激光增材制造成形316L不銹鋼的疲勞性能。研究[67]表明，內(nèi)部缺陷(如孔洞、未熔的粉末)及粗糙的表面會(huì)導(dǎo)致316L不銹鋼發(fā)生局部應(yīng)力集中，而應(yīng)力集中處會(huì)優(yōu)先成為疲勞裂紋的形核位置，從而促進(jìn)疲勞失效。此外，加載方向也會(huì)顯著影響激光增材制造成形316L不銹鋼的疲勞性能。當(dāng)加載方向與成形方向垂直時(shí)，激光增材制造成形316L不銹鋼的疲勞強(qiáng)度最高；二者平行時(shí)，疲勞強(qiáng)度較低；當(dāng)二者成45°角時(shí)，疲勞強(qiáng)度最低[67]。然而，目前對(duì)激光增材制造成形316L不銹鋼疲勞裂紋擴(kuò)展機(jī)制的研究剛剛起步，很多機(jī)制并不清楚甚至互相矛盾。例如：SURYAWANSHI等[59]研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)加載方向與柱狀晶晶粒長(zhǎng)軸方向(即成形方向)一致時(shí)，SLM成形316L不銹鋼的疲勞裂紋擴(kuò)展路徑高度彎曲，擴(kuò)展速率極慢，而當(dāng)加載方向垂直于柱狀晶晶粒長(zhǎng)軸方向時(shí)，疲勞裂紋擴(kuò)展路徑筆直，擴(kuò)展速率快；然而，XU等[15]利用原位掃描電子顯微鏡研究了DED成形316L不銹鋼的疲勞裂紋擴(kuò)展規(guī)律發(fā)現(xiàn)，在沉積層內(nèi)部2種加載方式的疲勞裂紋擴(kuò)展速率相當(dāng)，但是層間疲勞裂紋擴(kuò)展速率卻顯著不同，當(dāng)加載方向與晶粒生長(zhǎng)方向垂直時(shí)，層間區(qū)域的裂紋擴(kuò)展速率更慢，這與SLM成形316L不銹鋼的疲勞裂紋擴(kuò)展規(guī)律截然不同[15,59]，但是到目前為止，尚未有相應(yīng)的理論來(lái)解釋這一現(xiàn)象。

5 結(jié)束語(yǔ)

316L不銹鋼兼具優(yōu)異的綜合力學(xué)性能及耐腐蝕性能，是應(yīng)用最廣泛的不銹鋼材料之一。傳統(tǒng)鑄造方法制備的316L不銹鋼晶粒粗大，強(qiáng)度低，通過(guò)熱機(jī)械加工可以顯著細(xì)化晶粒并引入高密度位錯(cuò)，使316L不銹鋼強(qiáng)度得到提高，但熱機(jī)械加工過(guò)程復(fù)雜，通常用于成形簡(jiǎn)單形狀的零件。激光增材制造技術(shù)具備逐層沉積、快速凝固的特點(diǎn)，能夠快速成形復(fù)雜形狀零件，同時(shí)賦予零件獨(dú)特的組織特征，如細(xì)小晶粒、內(nèi)部胞狀亞結(jié)構(gòu)、高密度小角度晶界及高密度位錯(cuò)等，是傳統(tǒng)冶金方法無(wú)法比擬的。激光增材制造成形316L不銹鋼可以獲得比傳統(tǒng)冶金方法制備的316L不銹鋼更加優(yōu)異的強(qiáng)度和塑性。但是，激光增材制造技術(shù)尚處于初步研究和應(yīng)用階段，在今后的研究中，需要進(jìn)一步探索激光增材制造成形316L不銹鋼的顯微組織及力學(xué)行為，并深入探討工藝參數(shù)對(duì)組織和性能的影響，以期對(duì)激光增材制造成形過(guò)程進(jìn)行精確控制，為該工藝在工業(yè)上的廣泛應(yīng)用提供更多的技術(shù)支撐。此外，如何控制晶體學(xué)織構(gòu)以改善激光增材制造成形316L不銹鋼性能的各向異性、揭示其疲勞裂紋擴(kuò)展規(guī)律等也是未來(lái)重要的研究課題。