基于SLM技术的3D打印工艺参数对316不锈钢组织缺陷的影响

摘要： 采用金属选区激光熔化（SLM）成形技术打印制备了316不锈钢，通过扫描电子显微镜（SEM）对比研究了不同SLM工艺参数下的组织缺陷，并测试了其致密度。结果表明，SLM技术打印的316不锈钢组织缺陷主要表现为孔洞和裂纹。工艺参数对其组织缺陷和致密度存在着显著的影响：随着扫描功率的逐渐增大，孔洞缺陷明显减少，裂纹数量也极少，试样的致密度逐渐提高；然而，随着扫描速度和扫描间距的逐渐增大，孔洞及裂纹缺陷均增多，试样的致密度逐渐降低。316不锈钢较优的SLM工艺参数为S=0.05 mm，P=450 W和v=1 500～2 000 mm/s，该条件下组织中只存在极少量的裂纹，试样的致密度高达95.62%。

关键词： 金属选区激光熔化技术；316不锈钢；工艺参数；组织缺陷；致密度

中图分类号： TG148

Abstract： 316 stainless steel samples were printed by SLM technology. The structural defects under different SLM process parameters were studied by scanning electron microscopy （SEM）. Meanwhile， the densities were tested. The results indicate that the major structural defects of 316 stainless steel printed based on SLM technology are holes and cracks. Process parameters play a marked influence on the structural defect. With increasing the scanning power， the holes decreases obviously， and only few microcracks exist in the microstructure. Meanwhile， the density of the samples improves gradually. However， the defects including the holes and cracks increase significantly， and the density decreases gradually with the increase of scanning speed and scanning interval， The better process parameter of SLM technology is S=0.05 mm， P=450 W and v=1 500 mm/s～2 000 mm/s for 316 stainless steel， where few microcracks exist and the density of the sample reaches up to 95.62%.

Key words： SLM technology； 316 stainless steel； process parameter； structural defect； density

0 前言

目前，选区激光熔化（Selective Laser Melting， SLM）成形技术是快速成形及制造领域最具发展潜力的技术之一，是金属3D打印领域的重要制备方法。由德国Fraunhofer研究所于1995年首次提出，并于2002年研究成功。由于SLM的研究具有重要的科学与社会意义，日益成为国内外研究的热点，近几年来取得了长足的发展，对该技术进行研究的国家主要集中在德国、英国、日本、新加坡与比利时等[1]， 目前德国在该领域处于领先地位[2]。选区激光熔化借助计算机辅助设计与制造，基于“离散分层叠加”的原理，利用高能激光束将金属粉直接成形为致密的三维实体零件，成形过程不需要任何工装模具，也不受零件形状复杂程度的限制 [3-5]。采用SLM技术成形的近全致密高性能金属零件，尺寸精度可达0.1 mm，表面粗糙度达20～30 μm [1， 6-7]。

因此，SLM成形零件得到快速发展和应用，主要包括：机械领域的工具及模具、生物医疗领域的生物植入零件或替代零件、电子领域的散热器件、航空航天领域的超轻结构件、梯度功能复合材料等[8-9]。然而，基于SLM技术的3D打印工艺参数（如扫描间距、扫描功率和扫描速度等）直接影响激光的能量密度及每道之间的搭接率，甚至会引起熔敷金属的球化，并可能导致零件组织中出现孔洞和微裂纹缺陷，使工件不能完全致密。这将严重降低金属零部件的综合性能，并影响其实用性 [10-12]。为此，文中对比研究了SLM相关工艺参数对316不锈钢组织缺陷的影响，并确定了较佳的SLM工艺参数，为3D打印技术的产业化提供了技术支撑。

1 试验材料与方法

以316不锈钢粉末（如图1）为原材料，采用SLM-150型选区激光熔化设备3D快速成形技术制备了10 mm×10 mm的圆柱形试样，其中SLM工艺参数分别为扫描间距S=0.05～0.1 mm，功率P=300～450 W，扫描速度v=1 500～3 000 mm/s。针对某一参数分别选择三个不同值的试样来进行组织缺陷分析。经打磨和抛光的各试样用王水溶液腐蚀后，在JEOL JXA-8100型扫描电子显微镜（SEM）上进行组织缺陷观察。试样在乙醇中经超声波清洁后采用TG328B型分析天平称量质量，根据阿基米德法测定其实际密度，并计算得到致密度K。

2 结果与分析

2.1 工艺参数对试样缺陷的影响