高氮不銹鋼選區激光熔化（SLM）成型性能研究

高氮不銹鋼介紹

高氮奧氏體不銹鋼（簡稱高氮鋼）是用廉價的氮元素取代昂貴的鎳的低成本高強韌不銹鋼。添加氮作為間隙原子能顯著提高鋼的強度、韌性、疲勞壽命和耐腐蝕性能，高氮鋼（HNS）在醫療、石油化工、航天航空等領域中有良好的應用前景。研究發現，在材料中添加過飽和的氮可以顯著地提升材料的強度，Speidel推出了材料的屈服強度（σb）及抗拉強度（σ0.2）與氮含量的關系式，分別為σb = 500 + 500√N和σ0.2 =150 + 500√N ，其中N為氮的質量分數。經過試驗驗證，向無氮奧氏體不銹鋼中添加質量分數為1. 2% 的氮可以將材料的屈服強度從 240 MPa 提升至 900 MPa，將最大抗拉強度從 500 MPa 提升至1050 MPa。因此，將不銹鋼中的氮的質量分數提升至1. 0% 以上可以極大地提高材料的力學性能。

高氮不銹鋼具有優異的力學性能和良好的耐腐蝕性能，并能改善不銹鋼的相容性，被廣泛應用于航空、醫學、海洋工程及石油化工等領域。選區激光熔化技術（ SLM ）作為增材制造技術的一個重要分支，最大特點是金屬粉末直接熔化凝固形成冶金結合，克服了 SLS 工藝中二次燒結造成的金屬部件致密度低、力學性能較差等缺點。使用選區激光熔化技術生產金屬制品是近年來制造業的熱點。

1. 實驗材料及設備

高氮不銹鋼化學成分

粒徑范圍：15-53um，松裝密度：4.2g/cm3，振實密度：4.9g/cm3。

成型設備：EOSM290 激光選區熔化設備

成型參數：

掃描間距：0.11mm，鋪粉層厚：0.02mm

試樣編號表

選區激光熔化成形試樣

高氮不銹鋼成形質量結果分析

1 工藝參數對致密度的影響

不同工藝參數下成形的試樣致密度如下圖所示。當固定掃描速度為200mm/s 時，在低激光功率100W 下成形的高氮不銹鋼試樣的相對致密度最高，為97.94% ，試樣相對致密度隨著激光功率的增加明顯下降，當激光功率為 300W 時，試樣的相對致密度降低至 95.92% 。當固定掃描速度為 500mm/s時，在激光功率 100W 下成形的試樣相對致密度為97.01% ，試樣的相對致密度隨激光功率的增加呈先增加后降低的趨勢。當固定掃描速度為 1000mm/s時，低激光功率 100W 下成形試樣的相對致密度僅為 92.43% ，試樣的相對致密度隨著激光功率的增加而增加，在激光功率 300W 時達到峰值，為 98.85%。

不同工藝參數下成形的試樣致密度

在低激光功率、高掃描速度成形（100W、1000mm/s）時，粉體吸收能量不足以使粉體充分熔化，高氮不銹鋼試樣內部存在較多未熔粉體顆粒，影響后續鋪粉平整度，導致單道與單道、層與層之間冶金結合較差，最終導致試樣相對致密度較差；而以高激光功率、高掃描速度成形 (300W 、 1000mm/s) 時，粉體從未充分熔化到充分溶化，未熔粉體顆粒逐漸減少，試樣內部冶金結合程度提高，從而使試樣相對致密度增強。在低激光功率、低掃描速度（ 100W 、 200mm/s ）成形時，粉體所吸收的能量仍可以使粉體充分熔化，減少了粉體未熔現象，保證較高的相對致密度；在高激光功率、低掃描速度成形 (300W 、 100mm/s) 時，單位時間內粉體吸收能量較多，導致粉體出現過熔現象，高氮不銹鋼試樣內部出現球化和氣孔等缺陷，惡化內部冶金結合度，使相對致密度較低。

2 激光能量密度對顯微硬度的影響

激光能量密度對試樣顯微硬度的影響下圖所示。不同激光能量密度常規 SLM 成形試樣顯微硬度在 295～409 HV0.3 范圍內，在激光能量密度為136.36J/mm 3 時達到最大值，為 409HV0.3 ；激光能量密度為 443.18J/mm 3 時試樣的顯微硬度最小，為295 HV0.3 。當激光能量密度輸入增加至 177.27J/mm 3 后，試樣顯微硬度降低了 20HV0.3 ，進一步增加激光能量密度至 443.18J/mm 3 后，顯微硬度下降趨勢較明顯，下降了 114 HV0.3 。

激光能量密度對試樣顯微硬度的影響

由圖可知，在能量密度 136.36～443.18J/mm 3范圍內，高氮不銹鋼試樣的顯微硬度隨著激光能量密度的增加而減小。其原因是試樣的顯微硬度與試樣致密度密切相關，高激光能量密度更容易形成超高溫熔池，形成金屬蒸汽較多，導致一些元素消減；加之高激光能量密度下成形的試樣內部缺陷較多，過多的氣孔及“球化”顆粒使得試樣內部組織質量變差，影響試樣的顯微硬度。

3 工藝參數對成形試樣內部缺陷的影響

為更好地研究激光工藝參數對試樣內部成形質量的影響，以內部缺陷尺寸定義缺陷類型，大于 15μm 的孔洞為裂紋，8～15μm 的孔洞為微裂紋， 5～8μm 的孔洞為氣孔， 1～5μm 的孔洞為微氣孔，小于1μm 的孔洞為超微氣孔。并通過網格計算得出不同參數下的缺陷數量。

如下圖所示，研究了不同激光功率對高氮不銹鋼試樣內部微觀質量的影響，固定掃描速度 1000mm/s 。在疊加層截面及掃描層截面，當激光功率為100W 時，試樣內部存在大量未熔粉體、微氣孔及超微氣孔。隨著激光功率提高至 150W 時，未熔粉體現象及超微氣孔數量逐漸減少，微氣孔數量增加，但出現了輕微裂紋。當激光功率為 200W 時，內部不再有未熔粉體顆粒，超微氣孔數量消失，出現較大尺寸的氣孔。激光功率為 300W 時，僅有少量微氣孔，無其他明顯缺陷。

不同激光功率下試樣的微觀形貌

在此觀察范圍內，試樣內部缺陷現象隨著激光功率的增加而改善。低激光功率掃描成形時，缺陷種類及數量都比較多，粉體因粒徑不同，在鋪粉、刮粉過程中存在不可避免的填充不完全現象，加之高氮不銹鋼粉體掃描成形時存在氮逸出行為，易形成微氣孔及超微氣孔等氣孔缺陷；較低的激光能量輸入導致粉體吸收的能量不足以充分熔化，致使未熔顆粒較多，未熔粉體顆粒與已熔化的熔池不能實現良好的冶金結合，使得內部缺陷更加明顯。增加激光能量輸入，粉體吸收能量增多后充分熔化，消除未熔顆?，F象，但大尺寸氣孔數量增多。高激光能量輸入導致氮的逸出，在快速熔凝成形過程中，易形成微氣孔缺陷。