。 通过将同轴粉末注射喷嘴与熔化投射金属的激光束耦合 , 可以生成近净形状或固体自由形状的3D零件 。 从简单的角度来看 , 每个成型层代表所需零件的2D横截面 , 每层之间的冶金结合决定了整个AM零件的完整性 。 因此 , 很好地理解这些冶金“键”是如何在AM过程中建立的是至关重要的 , 本文提出借用和利用成熟的熔焊背景 , 并将其应用于316L不锈钢零件的粉末进料AM 。
在许多方面 , AM类似于焊接 , 因为这两种工艺都依赖于熔化金属的沉积 。 然而 , 与通常在预备接头(例如 , 厚截面的U、V、L型槽)内沉积熔融金属的焊接不同 , AM中的熔融金属在完全开放和无约束的空间中传输 , 其轨迹由3D设计文件决定 。 因此 , 从冶金角度来看 , 焊接和AM面临的挑战是惊人的相似 , 因此 , 可以重复使用过去从焊接中获得的经验来加速对AM的认识 。 增材制造自然会带来新的挑战 。 例如 , 累积热历史控制了热应力和残余应力的发展 , 从而导致零件变形[910
, 在AM中比在大多数焊接场景中复杂得多 , 原因是沉积层数多、原料动态和典型AM零件的几何复杂性 , 通常包括很大的长厚比[11-13
。 如前所述 , 使用填充材料、棒状电极或焊丝的熔焊通常发生在高度受限的空间中 。 在薄和中空零件的增材制造中 , 即在激光诱导的热循环下能够几何自适应的零件 , 这些约束被减小 , 除了在初始阶段 , 需要一个基础支撑来启动零件的构建 。 不同的是 , 厚AM零件更容易自我约束 , 并且取决于合金冶金 , 或多或少容易受到各种开裂机制的影响 , 如凝固开裂(热裂) 。 例如 , De Lima等人[14
报道了316L不锈钢AM试验件的裂纹 。 以及Li等人[15
与焊接类似 , 新加层的化学成分也受到前层部分熔化的影响 。 在许多制造车间的条件下 , 由于油渣、含硫化合物和水造成的化学污染是已知影响AM零件性能的 。 对于AM零件 , 挑战在于单层条件不理想可能导致不合格的零件 , 造成重大的前期需求 , 需要在整个零件体积内产生一致的材料属性 , 并建立适当的制造后检查流程 。
本研究从小批量生产中随机选取代表工业316L通风口的AM零件 , 通过显微硬度压痕、详细的目视检查、光学和扫描电子显微镜、电子背散射衍射(EBSD)等手段对其进行深入研究 , 并结合近期AM文献以及较为成熟的焊接科学技术对结果进行深入探讨 。 然后 , 将从这一部分获得的经验加以扩展和利用 , 进一步讨论金属材料AM中的一些工艺和冶金挑战 。
2.实验步骤
所研究的零件是316L不锈钢通风口 , 因为他们的尺寸小(50mm高)和可变几何形状 , 可进一步描述为中空、薄壁和可变截面 。 本研究中所考察的部分在图1(a)中显示了它们的整体和沿构建方向的一半 。 请注意 , 这两个部件是从一个小制造批次中随机选择的 , 用于使用4kW光纤激光3D打印机(称为CLAD)进行详细检查、分析和工艺鉴定 。 Ecole Centrale Nantes(法国ECN公司)的CLAD系统是一个改进的IREPA激光系统(法国) 。 如图1(b)所示 。 通过CLAD 3D打印机 , 粉末以可控的进给速度同轴送入激光束焦点 , 从而形成粉末射流 。 这种粉末射流也独立地受到喷嘴设计的影响 , 如图1(c)所示 , 并伴随着光学透镜的几个特性 。 在图1(b)中 , 惰性气体(氩气)来自3个独立的输送通道 , 同步输送一个与激光束焦点计划完全相交的受限粉末射流 。 作为补充 , 图1(d)显示了激光束的机器设置轨迹以及扫描速度的位置相关值 。 选定的扫描速度在400~1300mm/min之间变化 , 以保持所有位置的稳定的原位熔池 。 由于通风口的几何形状 , 特别是曲率和内部开口沿高度的变化 , 喷嘴头和零件所在的转盘发生了相对的轴向和方位变化 。 此外 , 由于每层的总长度增加以补偿通风口的扩大 , 扫描速度也同时增加(图1(d)) , 所以每层的厚度都设置为逐渐减小 。 为了获得良好的流动性能和较高的堆积密度 , 原料选用气体雾化法制备的球形粉末 。 发现粉末直径分布主要在45~70μm之间 。 注意316L不锈钢的低碳含量 , AM部分避免敏化的要求 , 以及低硫和低磷含量 。 这些元素虽然浓度较小 , 但仍有一定的影响 , 本文将在后面的研究中进行探讨 。
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