文|小申簡(jiǎn)說(shuō)

編輯|小申簡(jiǎn)說(shuō)

引言

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

然而，由于這種金屬的高強(qiáng)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(shù)的原理

激光熔化技術(shù)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(shí)體的快速成形技術(shù)。

該技術(shù)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(guò)移動(dòng)工作臺(tái)逐層疊加新的粉末材料，在其表面熔化，重復(fù)工藝，最終形成所需形狀和結(jié)構(gòu)的三維實(shí)體。

在SLM過(guò)程中，激光束的功率、掃描速度、掃描路徑和掃描間距對(duì)產(chǎn)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(shí)，掃描路徑和間距的選擇對(duì)成品的密度和結(jié)構(gòu)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(yīng)力。

SLM技術(shù)在制備金屬材料方面具有許多優(yōu)點(diǎn)。可實(shí)現(xiàn)高精度、高效率、低污染的成型過(guò)程，制備性能優(yōu)異的材料，適用于制備復(fù)雜的幾何形狀和內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

SLM-316L不銹鋼的制備工藝

首先，我們需要準(zhǔn)備SLM-316L不銹鋼粉末。粉末的質(zhì)量對(duì)最終產(chǎn)品的質(zhì)量有很大的影響。我們使用霧法制備粉末，然后通過(guò)篩選和精細(xì)處理獲得所需粒徑的粉末。

接下來(lái)，需要準(zhǔn)備3DCAD模型來(lái)確定零件的形狀和結(jié)構(gòu)。在選擇性激光熔化設(shè)備中，粉末通過(guò)噴射到激光束下，粉末通過(guò)高能激光束熔化并固化成金屬部件。

在此過(guò)程中，所需的形狀和結(jié)構(gòu)可以通過(guò)控制激光束的位置和強(qiáng)度，以及噴粉速度和厚度來(lái)獲得。

SLM-316L不銹鋼零件的最終成品還需要進(jìn)行表面處理、熱處理和機(jī)械加工，以獲得所需的表面質(zhì)量、強(qiáng)度和耐腐蝕性。

制備條件對(duì)SLM-316L不銹鋼組織結(jié)構(gòu)的影響

在選擇性激光熔化技術(shù)中制備SLM-316L不銹鋼時(shí)，激光功率、掃描速度、層厚、預(yù)熱溫度等制備參數(shù)會(huì)影響其組織結(jié)構(gòu)的形成。

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

激光功率和掃描速度的變化會(huì)影響沉積區(qū)的組織結(jié)構(gòu)。在低激光功率和掃描速度下，沉積區(qū)的組織結(jié)構(gòu)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(guò)高，材料中會(huì)形成大量的孔隙和缺陷，晶粒尺寸也會(huì)變大。在這種情況下，SLM-316L不銹鋼可能密度低，機(jī)械性能差。

在制備過(guò)程中，過(guò)高或過(guò)低的預(yù)熱溫度會(huì)導(dǎo)致組織結(jié)構(gòu)異常。如果預(yù)熱溫度過(guò)高，母材區(qū)域可能過(guò)熱熔化，導(dǎo)致材料微組織不規(guī)則，缺陷和孔隙大。

如果預(yù)熱溫度過(guò)低，母材區(qū)的組織結(jié)構(gòu)可能過(guò)于致密，難以與沉積區(qū)形成良好的結(jié)合。

SLM-316L不銹鋼的組織結(jié)構(gòu)

1.母材區(qū)的組織結(jié)構(gòu)

SLM-316L不銹鋼母材區(qū)的組織結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(cuò)的帶狀分布，這是因?yàn)樵阡摰睦鋮s過(guò)程中，溫度梯度會(huì)導(dǎo)致奧氏體和鐵素體的不同變化過(guò)程，導(dǎo)致帶狀分布的組織結(jié)構(gòu)。

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(qiáng)度和硬度。

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

因此，研究SLM-316L不銹鋼母材區(qū)的組織結(jié)構(gòu)及其變化規(guī)律對(duì)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(jié)構(gòu)

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(jié)構(gòu)受制備參數(shù)和熱處理過(guò)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(xì)晶粒的組織結(jié)構(gòu)。這種非晶體或極細(xì)晶粒結(jié)構(gòu)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(shí)沿掃描路徑方向分布不均勻，同時(shí)由于高溫?zé)釕?yīng)力和快速冷卻過(guò)程，也會(huì)導(dǎo)致沉積區(qū)域顆粒錯(cuò)位、屈曲、晶界偏移等缺陷，從而影響其機(jī)械性能。

SLM-316L不銹鋼沉積區(qū)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，包括非晶體、極細(xì)晶粒、二次相、小晶粒等組織結(jié)構(gòu)。因此，根據(jù)不同的應(yīng)用要求，有必要通過(guò)調(diào)整制備參數(shù)和熱處理過(guò)程來(lái)優(yōu)化沉積區(qū)的組織結(jié)構(gòu)，以滿足具體的機(jī)械性能和應(yīng)用要求。

SLM-316L不銹鋼組織結(jié)構(gòu)的形成機(jī)制

SLM-316L不銹鋼組織結(jié)構(gòu)的形成有很多因素。在制備過(guò)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(fù)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(jié)構(gòu)也會(huì)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(dá)數(shù)千攝氏度。隨著激光束的掃描和移動(dòng)，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(gè)由多個(gè)熔池交錯(cuò)組成的三維實(shí)體。

由于快速凝固的速率高于普通制備工藝，晶體生長(zhǎng)在凝固過(guò)程中幾乎沒(méi)有時(shí)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(jié)構(gòu)。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(huì)影響組織結(jié)構(gòu)。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(xué)性能

1.抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率的試驗(yàn)結(jié)果

抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率是評(píng)價(jià)材料力學(xué)性能的三個(gè)重要指標(biāo)。這些指標(biāo)可以通過(guò)拉伸試驗(yàn)來(lái)測(cè)量。拉伸試驗(yàn)是一種常用的材料力學(xué)性能試驗(yàn)方法。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，SLM-316L不銹鋼的抗拉強(qiáng)度在500-800MPa之間，屈服強(qiáng)度在200-500MPa之間，延伸率在20-500MPa之間％之間。

這種強(qiáng)度和延展性極強(qiáng)，能使他在航空航天、汽車(chē)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(qiáng)度、屈服強(qiáng)度和延伸率會(huì)受到測(cè)試條件和方法的影響，測(cè)試速度和樣品尺寸可能會(huì)影響測(cè)試結(jié)果。因此，在測(cè)試過(guò)程中應(yīng)注意這些因素，并采取適當(dāng)措施減少測(cè)試誤差。

2.硬度和韌性的測(cè)試結(jié)果

硬度和韌性是衡量金屬材料力學(xué)性能的首要任務(wù)，這決定了材料受力后產(chǎn)生的變形程度，我們將使用洛氏硬度測(cè)試機(jī)進(jìn)行測(cè)試。

實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，SLM-316L不銹鋼的硬度值高于傳統(tǒng)的316L不銹鋼，因?yàn)檫x擇性激光熔化技術(shù)制備的SLM-316L不銹鋼具有更致密的組織結(jié)構(gòu)，因此其硬度值相對(duì)較高。

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

這是因?yàn)镾LM-316L不銹鋼的晶界和位錯(cuò)較多，可以吸收材料中的應(yīng)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(biāo)，很難同時(shí)獲得高水平的性能，但SLM-316L不銹鋼的硬度和韌性測(cè)試結(jié)果相對(duì)較好，表明選擇性激光熔化技術(shù)在制備過(guò)程中提高了兩者的兼容性。

結(jié)論

SLM-316L不銹鋼作為一種具有良好機(jī)械性能和應(yīng)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(jié)構(gòu)。

其潛力遠(yuǎn)不止于此。未來(lái)SLM-316L不銹鋼的制備工藝可以簡(jiǎn)化，以滿足不同領(lǐng)域?qū)Σ牧闲阅艿囊螅龠M(jìn)SLM-316L不銹鋼的應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)：

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