文|小申簡說

編輯|小申簡說

引言

隨著時代的快速發(fā)展，人們對金屬材料的性能和應用要求也越來越高，SLM-316L不銹鋼是一種由選擇性激光熔化技術制成的新型金屬材料，由于強度高，可應用于許多重要場景，發(fā)展迅速。

然而，由于這種金屬的高強度，加工難度立即增加。人們選擇了哪種加工方法？它有什么優(yōu)異的性能嗎？

SLM-316L不銹鋼的制備方法

1.選擇激光熔化技術的原理

激光熔化技術的選擇（SLM）是一種以激光束為熱源，在粉末材料表面逐層掃描熔化粉末形成三維實體的快速成形技術。

該技術的基本原理是利用高功率密度激光束局部熔化粉末材料表面，熔化區(qū)快速凝固形成固體層，通過移動工作臺逐層疊加新的粉末材料，在其表面熔化，重復工藝，最終形成所需形狀和結構的三維實體。

在SLM過程中，激光束的功率、掃描速度、掃描路徑和掃描間距對產品的外觀和性能有影響。激光功率越高，掃描速度越慢，熔化區(qū)域越大，成品表面越光滑。

同時，掃描路徑和間距的選擇對成品的密度和結構有重要影響。合理的掃描路徑和間距可以提高成品的密度，減少氣孔、缺陷和殘余應力。

SLM技術在制備金屬材料方面具有許多優(yōu)點。可實現(xiàn)高精度、高效率、低污染的成型過程，制備性能優(yōu)異的材料，適用于制備復雜的幾何形狀和內部結構。

SLM-316L不銹鋼的制備工藝

首先，我們需要準備SLM-316L不銹鋼粉末。粉末的質量對最終產品的質量有很大的影響。我們使用霧法制備粉末，然后通過篩選和精細處理獲得所需粒徑的粉末。

接下來，需要準備3DCAD模型來確定零件的形狀和結構。在選擇性激光熔化設備中，粉末通過噴射到激光束下，粉末通過高能激光束熔化并固化成金屬部件。

在此過程中，所需的形狀和結構可以通過控制激光束的位置和強度，以及噴粉速度和厚度來獲得。

SLM-316L不銹鋼零件的最終成品還需要進行表面處理、熱處理和機械加工，以獲得所需的表面質量、強度和耐腐蝕性。

制備條件對SLM-316L不銹鋼組織結構的影響

在選擇性激光熔化技術中制備SLM-316L不銹鋼時，激光功率、掃描速度、層厚、預熱溫度等制備參數(shù)會影響其組織結構的形成。

激光功率和掃描速度是影響沉積區(qū)組織結構的主要參數(shù)，層厚和預熱溫度是影響母材區(qū)組織結構的主要參數(shù)。

激光功率和掃描速度的變化會影響沉積區(qū)的組織結構。在低激光功率和掃描速度下，沉積區(qū)的組織結構呈現(xiàn)出較小的晶粒和較低的孔隙率。

然而，如果激光功率和掃描速度過高，材料中會形成大量的孔隙和缺陷，晶粒尺寸也會變大。在這種情況下，SLM-316L不銹鋼可能密度低，機械性能差。

在制備過程中，過高或過低的預熱溫度會導致組織結構異常。如果預熱溫度過高，母材區(qū)域可能過熱熔化，導致材料微組織不規(guī)則，缺陷和孔隙大。

如果預熱溫度過低，母材區(qū)的組織結構可能過于致密，難以與沉積區(qū)形成良好的結合。

SLM-316L不銹鋼的組織結構

1.母材區(qū)的組織結構

SLM-316L不銹鋼母材區(qū)的組織結構主要由奧氏體和少量鐵素體組成。奧氏體是一種具有良好韌性和可塑性的面心立方體結構的鐵素體。其晶體含有適量的鎳和鉻，能提供優(yōu)異的耐腐蝕性和抗氧化性。

鐵素體是一種體心立方結構的鐵素體，它含有較高的碳元素，因此硬度較高，但脆性較大，耐腐蝕性不如奧氏體。

在SLM-316L不銹鋼母材區(qū)，奧氏體和鐵素體呈現(xiàn)出交錯的帶狀分布，這是因為在鋼的冷卻過程中，溫度梯度會導致奧氏體和鐵素體的不同變化過程，導致帶狀分布的組織結構。

此外，母材區(qū)還發(fā)現(xiàn)了少量的晶間硬化物和碳化物，有助于SLM-316L不銹鋼的強度和硬度。

需要注意的是，母材區(qū)的組織結構在性激光熔化過程中會受到一定程度的影響，特別是在激光熔化過程中，由于母材區(qū)有一定的組織結構，加熱冷卻過程中的溫度梯度會導致組織結構的變化和再生，從而對SLM-316L不銹鋼的性能產生一定的影響。

因此，研究SLM-316L不銹鋼母材區(qū)的組織結構及其變化規(guī)律對優(yōu)化選擇性激光熔化工藝和提高材料性能具有重要意義。

2.沉積區(qū)的組織結構

SLM-316L不銹鋼沉積區(qū)是指激光熔化金屬材料的表面層，也是零件的最外層，其組織結構受制備參數(shù)和熱處理過程的影響。

在母材熔融池區(qū)域，由于激光束的高能密度和快速掃描速度，鋼瞬間熔化并迅速凝固，形成非晶體或極細晶粒的組織結構。這種非晶體或極細晶粒結構沉積區(qū)的主要特征之一，母材熔融池區(qū)域也有一定數(shù)量的二次相。

熔融池沿激光掃描路徑熔化并迅速凝固，形成小顆粒，這些小顆粒有時沿掃描路徑方向分布不均勻，同時由于高溫熱應力和快速冷卻過程，也會導致沉積區(qū)域顆粒錯位、屈曲、晶界偏移等缺陷，從而影響其機械性能。

SLM-316L不銹鋼沉積區(qū)結構復雜，包括非晶體、極細晶粒、二次相、小晶粒等組織結構。因此，根據不同的應用要求，有必要通過調整制備參數(shù)和熱處理過程來優(yōu)化沉積區(qū)的組織結構，以滿足具體的機械性能和應用要求。

SLM-316L不銹鋼組織結構的形成機制

SLM-316L不銹鋼組織結構的形成有很多因素。在制備過程中，激光束的高能密度使粉末在局部區(qū)域迅速熔化，然后凝固形成一層新材料，涉及復雜的熱傳輸和固化行為。

而制備條件(如激光功率、掃描速度、層厚等)。)、SLM-316L不銹鋼的組織結構也會因材料粒度和氣氛壓力而發(fā)生變化。

激光熔化粉末，形成熔池，溫度高達數(shù)千攝氏度。隨著激光束的掃描和移動，熔池中的液體金屬不斷凝固，并與前一層材料交界，形成一個由多個熔池交錯組成的三維實體。

由于快速凝固的速率高于普通制備工藝，晶體生長在凝固過程中幾乎沒有時間，固體組織呈非晶或亞晶形狀，晶粒尺寸小于微米。

激光功率的大小也決定了熔池的溫度和凝固率，從而影響組織結構。較高的掃描速度可以加快熔池的凝固率，使晶粒尺寸更小。

層厚的變化也會影響組織結構。較薄的層厚可以提高橫向傳熱速率，使晶粒尺寸更小，較高的氣壓可以降低熔池的表面張力，從而提高凝固速率，使晶粒尺寸更小。

SLM-316L不銹鋼的力學性能

1.抗拉強度、屈服強度和伸長率的試驗結果

抗拉強度、屈服強度和伸長率是評價材料力學性能的三個重要指標。這些指標可以通過拉伸試驗來測量。拉伸試驗是一種常用的材料力學性能試驗方法。

實驗結果表明，實驗結果表明，SLM-316L不銹鋼的抗拉強度在500-800MPa之間，屈服強度在200-500MPa之間，延伸率在20-500MPa之間％之間。

這種強度和延展性極強，能使他在航空航天、汽車制造和醫(yī)療器械中發(fā)揮重要作用。

需要注意的是，抗拉強度、屈服強度和延伸率會受到測試條件和方法的影響，測試速度和樣品尺寸可能會影響測試結果。因此，在測試過程中應注意這些因素，并采取適當措施減少測試誤差。

2.硬度和韌性的測試結果

硬度和韌性是衡量金屬材料力學性能的首要任務，這決定了材料受力后產生的變形程度，我們將使用洛氏硬度測試機進行測試。

實驗發(fā)現(xiàn)，SLM-316L不銹鋼的硬度值高于傳統(tǒng)的316L不銹鋼，因為選擇性激光熔化技術制備的SLM-316L不銹鋼具有更致密的組織結構，因此其硬度值相對較高。

韌性是指當材料在力下發(fā)生塑性變形時，具有抗斷裂的能力。通過拉伸試驗和沖擊試驗可以測試韌性。在試驗過程中，我們發(fā)現(xiàn)SLM-316L不銹鋼具有相對較高的韌性，具有良好的延展性和抗撕裂性。

這是因為SLM-316L不銹鋼的晶界和位錯較多，可以吸收材料中的應變能量，從而提高材料的韌性。

硬度和韌性是相互矛盾的指標，很難同時獲得高水平的性能，但SLM-316L不銹鋼的硬度和韌性測試結果相對較好，表明選擇性激光熔化技術在制備過程中提高了兩者的兼容性。

結論

SLM-316L不銹鋼作為一種具有良好機械性能和應用前景的金屬材料，也可以使SLM-316L不銹鋼比傳統(tǒng)的316L不銹鋼具有更致密的組織結構。

其潛力遠不止于此。未來SLM-316L不銹鋼的制備工藝可以簡化，以滿足不同領域對材料性能的要求，促進SLM-316L不銹鋼的應用。

參考文獻：

TiC/316L激光熔化成型不銹鋼復合材料組織性能的研究[D].2020年中北大學李靜

激光熔化316L不銹鋼成型工藝及性能研究[J].2021(01)張成林.激光與光電子學進展

SLM成型工藝參數(shù)對316L不銹鋼成型件表面粗糙度的影響[J].黃衛(wèi)東；張偉杰；練國富；陳俠宇；賴章鵬.應用激光，2020(01)

激光熔化成型316L不銹鋼的流動規(guī)律、組織和性能研究[D].2019年北京科技大學尹衍軍