316L不锈钢粉末的电子束选区熔化成形
选区激光熔化成形316L不锈钢微观组织及拉伸性能分析
选区激光熔化成形316L不锈钢微观组织及拉伸性能分析0 序言金属3D打印技术是新近发展起来的一种增材制造技术[1-2].其中激光3D打印又称选区激光熔化成形，是通过计算机控制高能激光作为能量源，对原始粉体进行逐层选区熔化成形，最终形成任意形状的三维零部件[3].一般不需要或很少需要热处理强化或二次熔浸等辅助工艺，可以成形复杂形状的零部件，包括金属、合金以及金属基复合材料[4].近年来，诸多研究单位利用选区激光成形工艺制备了具有良好综合性能的金属或合金块体材料及零件，特别是得益于高能激光器的不断发展，可成形钨和钽等难熔金属材料[5-6].因此，金属选区熔化技术在铜复杂形状零部件的制造领域显示出强大的优势，但金属制备件的组织和综合力学性能还有待于进一步优化.金属的组织结构决定其使用性能，弄清选区激光熔化过程中金属的微区结晶行为，通过适当调节工艺，优化成形过程中的组织结构，是进一步提高金属打印件综合性能的根本.文中采用选区激光熔化技术制备了316 L不锈钢的拉伸试样，对其微观组织和拉伸力学性能进行研究，分析了不同区域的组织特性、形成机理，及其对拉伸力学性能的影响，以期为金属打印件的组织与性能控制探寻试验与理论依据.1 试验方法试验采用的选区激光熔化设备为激光快速成形机SLM-280，此设备主要包含成形室与循环净化、成形缸与活塞驱动、精密光路与激光器、铺粉系统、控制柜及配套软件几大功能模块系统.扫描速度100～7 000 mm/s范围内可调，成形精度可达±0.1 mm，打印层厚20～80 μm.系统拥有高速高精度的振镜扫描单元及精准的激光控制功率控制器，保证在扫描范围内的激光斑点功率密度几乎一致.利用材料万能拉伸试验机测试拉伸力学性能，采用Quanta FEG450型场发射扫描电镜观察显微组织.打印原材料为-200～+600目316L不锈钢粉末，表1为粒度分布及松装密度，表2为选区激光熔化工艺参数.拉伸试样尺寸按照国家标准GBT228.1—2010.表1 316L不锈钢粉末粒度分布及松装密度Table 1 Particle size distribution and loose packed density of 316L stainless steel powder粒径分布A′(%) 松装密度ρ/(g·cm-1)0～10 μm 10～25 μm 25～45 μm ≥50 μm 4.15 10～15 20～35 25～40 10～15表2 选区激光熔化工艺参数Table 2 Selective laser melting process parameters扫描速度v/(mm·s -1)扫描间距l/mm激光功率P/W 层厚d/μm 扫描方式1 800 0.05 250 30 S型正交2 试验结果与讨论2.1 组织及形貌特征图1为试样垂直于激光扫描方向的SEM二次电子组织形貌低倍照片.从图中可看到清晰、细小的鱼鳞状界面.其形成原因主要是由于3D 打印过程中，激光光斑逐点熔化粉末颗粒形成的“微熔池”依次由点到线、由线到面、再由面到体凝固重叠所致.从图中可见，虽然打印过程中激光光斑形状和尺寸是恒定的，但不同“微熔池”凝固后的形貌不完全相同.呈现出熔合线平直拉长和较大幅度凸起两种不同的形貌特征，且大小不一.分析认为，这主要是由于打印过程中温度积累、粉层金属粉末颗粒分布不均匀及散热条件的变化导致不同“微熔池”表面张力改变所致.图1 选区激光熔化成形试样宏观组织Fig.1 Macrostructure of the selective laser melting forming sample通过放大观察发现，3D打印试样不同区域的组织分布主要呈现出3类典型形貌特征.图2所示为第一类结晶形貌的SEM形貌照片.从图中可看，组织特征为典型的胞状结晶形貌.图2b与图2c所示为选区熔化过程中形成的胞状晶，“微熔池”内细小柱状晶即焊接常说的“亚晶”的直径为0.3～0.5 μm，晶粒间结合紧密，沿垂直于熔合线或与熔合线成一定的夹角进行择优生长.分析认为其结晶方式为以熔合区为基底的非均匀形核结晶生长，在“微熔池”内，熔池中的热量主要通过基底与已凝固的部分向基板扩散，在垂直于扫描方向上有很大的过冷度，因此形成了如图2所示的结晶形貌.因水资源时空分布差异较大，受强降雨、强台风影响，各地频繁发生洪涝灾害，水利人一直都在与水患灾害进行斗争。
《2024年高功率选区激光熔化成形316L不锈钢层厚与性能的关系》范文
《高功率选区激光熔化成形316L不锈钢层厚与性能的关系》篇一摘要：本文着重研究了高功率选区激光熔化成形（SLM）技术中，316L不锈钢的层厚与其成形性能之间的关系。
通过一系列的实验，分析了不同层厚对最终产品的机械性能、微观结构及耐腐蚀性能的影响，并得出了相关结论。
一、引言随着现代制造技术的发展，激光熔化成形技术已成为一种重要的金属增材制造方法。
其中，高功率选区激光熔化（SLM）技术以其高精度、高效率的特点，在制造复杂零部件方面具有显著优势。
316L不锈钢作为一种常用的不锈钢材料，其优良的耐腐蚀性和机械性能使其在许多领域得到广泛应用。
因此，研究高功率SLM技术下316L不锈钢的层厚与性能关系具有重要意义。
二、实验方法本实验采用高功率SLM技术对316L不锈钢粉末进行成形，分别设置了不同的层厚（如0.05mm、0.1mm、0.2mm等）进行实验。
通过控制激光功率、扫描速度、扫描间距等参数，确保每一种层厚都能得到稳定的成形效果。
对成形后的样品进行机械性能测试、微观结构观察以及耐腐蚀性能测试。
三、层厚对机械性能的影响实验结果表明，层厚对316L不锈钢的机械性能有显著影响。
当层厚增加时，由于每一层熔化的连续性受到干扰，导致了在宏观层面上出现的残余应力增大。
这种残余应力的积累会影响样品的拉伸强度和硬度等指标。
特别地，较厚的层更可能导致应力集中区域的出现，增加了材料的断裂倾向。
此外，通过比较不同层厚的样品，我们发现较薄的层（如0.05mm）通常具有更高的抗拉强度和更低的延伸率。
四、层厚对微观结构的影响微观结构分析显示，随着层厚的增加，熔池的冷却速率和凝固条件发生变化，导致晶粒尺寸的增大和晶界的不规则性增强。
此外，层间界面变得明显粗糙，降低了各层间的结合强度。
而薄层厚度条件下形成的致密微结构能够更有效地承受外界压力和腐蚀攻击。
五、层厚对耐腐蚀性能的影响在耐腐蚀性能测试中，我们发现随着层厚的增加，样品表面的均匀性受到损害，可能导致其与腐蚀介质之间的接触面积增加。
316L不锈钢粉选择性激光熔化成形工艺及成形后的性能
316L不锈钢粉选择性激光熔化成形工艺及成形后的性能刘艳;张晓刚;张昊【期刊名称】《机械工程材料》【年(卷),期】2018(042)005【摘要】对316L不锈钢粉进行选择性激光熔化成形,利用正交试验方法分析激光功率、扫描速度和扫描间距对成形试样相对密度、拉伸性能和微观形貌的影响,得到了最佳工艺参数.结果表明:成形试样的抗拉强度、屈服强度和相对密度均随激光功率或扫描速度的增加先增后降,随扫描间距的增加而增大;伸长率随激光功率的增加先降后增,随扫描速度的增加而增大,随扫描间距的增加变化很小;最佳工艺参数组合为激光功率310 W,扫描速度960 mm·S-1,扫描间距0.13 mm;在最佳工艺下成形后试样的相对密度、抗拉强度和屈服强度均最大,分别为99.53％,613MPa和320MPa,伸长率为44.6％,成形试样的表面平整,孔隙较小,拉伸断口上的韧窝细小均匀,且球化现象较少.【总页数】5页(P40-44)【作者】刘艳;张晓刚;张昊【作者单位】兰州理工大学机电工程学院,兰州730050;兰州理工大学机电工程学院,兰州730050;甘肃机电职业技术学院,天水741001【正文语种】中文【中图分类】TG142.1【相关文献】1.316L不锈钢电弧堆焊快速成形工艺及组织性能研究 [J], 刘奋成;贺立华;黄春平;杨成刚;余小斌2.316L不锈钢粗粉注射成形工艺的研究 [J], 乔斌;尚峰;丁梅;李化强;贺毅强;杨建明3.选择性激光熔化316L不锈钢粉成形优化工艺 [J], 赵灿;张佳;刘锦辉4.选区激光熔化工艺参数对气雾化316L不锈钢粉末成形制品性能的影响 [J], 李胜峰;杜开平;沈婕5.316L不锈钢粗粉注射成形件的力学性能和微观组织 [J], 尚峰;丁梅;李化强因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
三维金属零件的电子束选区熔化成形
第４３卷第６期２００７年６月机械工程学报ｖ０１．４３Ｎｏ．６ＣＨＩＮＥＳＥＪＯＵＲＮＡＬ０ＦＭＥＣＨＡＮＩＣＡＬＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧＪ１１１１．２００７三维金属零件的电子束选区熔化成形术颜永年齐海波林峰何伟张浩然张人佶（清华大学机械工程系北京１０００８４）摘要：针对电子束选区熔化成形技术中金属粉末在高能电子束作用下容易溃散的特点，进行不同形状的３１６Ｌ不锈钢粉末的成形研究，得出既不溃散又具有较好成形性的粉末配比。
针对成形过程中成形区域的温度场分布特点，提出成形件旋转法和多连通区域零件的薄层切割法，能较好地解决成形件第一条扫描线球化和成形区域不同部位所需温度不相同的问题，简化ｃＡＤ模型的数据处理过程。
在材料研究和工艺研究的基础上，制造出三维金属零件，层间为完全冶金结合，层内没有未熔颗粒和空洞，组织结构为均匀细小的蜂窝状枝晶组织，水平和垂直拉伸试样的极限强度和断后伸长率为６００ＭＰａ、４０％和５６０ＭＰａ、３５％。
关键词：快速制造电子束选区熔化成形３１６Ｌ不锈钢粉末温度场中图分类号：ＴＮｌ０１Ｏ前言电子束快速制造技术是一种基于离散一堆积成形原理，以高能量密度和高能量利用率的电子束作为加工热源，对材料进行完全熔化成形的三维实体零件制造方法。
与激光相比，电子束具有能量利用率高、加工材料广泛、无反射、加工速度快、真空环境无污染及运行成本低等优点，因此基于电子束的快速制造技术在国际上受到了越来越广泛的关注，美国麻省理工学院、美国航空航天局、瑞典心ｃ锄公司和我国清华大学均开发出了各自的基于电子束的快速制造系统【１。
２】。
前两种利用电子束熔化金属丝材，电子束固定不动，金属丝材通过送丝装置和工作台移动，与激光近形制造技术类似；后两种利用电子束熔化铺在工作台面上的金属粉末，与激光选区熔化技术类似，利用电子束实时偏转实现熔化成形，该技术不需要二维运动部件，可以实现金属粉末的快速扫描成形，是目前国际上金属零件快速制造的研究热点之一。
高功率选区激光熔化成形316L不锈钢层厚与性能的关系
高功率选区激光熔化成形316L不锈钢层厚与性能的关系高功率选区激光熔化成形316L不锈钢层厚与性能的关系摘要：随着高功率选区激光熔化成形技术的飞速发展，316L不锈钢材料在制造业中的应用越来越广泛。
本文通过对高功率选区激光熔化成形316L不锈钢层厚与性能的研究，探索了层厚对不锈钢性能的影响，为进一步提高不锈钢材料的应用性能提供了理论依据。
1. 引言高功率选区激光熔化成形技术是近年来发展最快的一种新型制造技术，通过激光束对金属材料进行熔化和凝固，实现精确的三维零件成型。
316L不锈钢是一种具有优异耐蚀、耐热性能的材料，广泛应用于航空航天、汽车制造、生物医学等领域。
然而，不同层厚下的316L不锈钢材料的性能差异，尚未被深入研究和探索。
2. 实验方法本实验选用了常见的高功率选区激光熔化成形设备，并以316L不锈钢粉末为原料。
通过实验调整激光功率、扫描速度和层厚等参数，制备了不同层厚的316L不锈钢样品。
采用金相显微镜、扫描电镜、X射线衍射仪等测试手段，对不同层厚下的316L不锈钢的微观结构、晶粒尺寸、相变规律等进行了研究。
同时，还对不同层厚下的316L不锈钢进行了拉伸、硬度等性能测试。
3. 实验结果与分析实验结果发现，不同层厚下的316L不锈钢材料的微观结构存在明显差异。
随着层厚的增加，316L不锈钢的晶粒尺寸逐渐增大，晶界清晰度降低。
同时，随着层厚的增加，316L不锈钢材料的相变规律也发生了变化，由母材中的奥氏体逐渐转变成马氏体。
此外，不同层厚下的316L不锈钢材料的机械性能也存在差异。
随着层厚的增加，316L不锈钢的拉伸强度和硬度逐渐增加。
4. 结论本实验的研究结果表明，高功率选区激光熔化成形过程中的层厚对316L不锈钢的性能具有重要影响。
随着层厚的增加，316L不锈钢的晶粒尺寸增大，晶界清晰度降低，相变规律发生变化，机械性能逐渐增强。
这些研究结果为进一步优化高功率选区激光熔化成形工艺参数、提高不锈钢材料的应用性能提供了重要的理论依据。
《2024年高功率选区激光熔化成形316L不锈钢层厚与性能的关系》范文
《高功率选区激光熔化成形316L不锈钢层厚与性能的关系》篇一一、引言随着激光熔化成形技术的快速发展，高功率选区激光熔化（Selective Laser Melting, SLM）成形技术已经成为制造复杂形状和微观结构部件的重要方法。
这种技术广泛应用于航空、汽车和医疗等多个领域。
特别是在金属部件制造方面，由于具有出色的力学性能和表面精度，其得到了广泛应用。
在众多金属材料中，316L不锈钢因具有良好的耐腐蚀性、耐高温性及良好的机械性能，成为了SLM成形技术的常见材料之一。
然而，316L不锈钢的SLM成形过程中，层厚对其性能的影响至关重要。
本文将深入探讨高功率选区激光熔化成形316L不锈钢过程中，层厚与性能之间的关系。
二、高功率选区激光熔化成形技术高功率选区激光熔化成形技术是一种通过高能激光束逐层扫描并熔化金属粉末以形成三维物体的工艺。
在这一过程中，层厚是一个重要的工艺参数，直接影响着最终产品的性能。
三、层厚对316L不锈钢性能的影响（一）层厚与力学性能的关系层厚是影响316L不锈钢力学性能的关键因素之一。
过大的层厚可能导致层间结合强度降低，从而影响整个部件的强度和韧性。
相反，过小的层厚虽然可以提高部件的表面质量，但可能增加制造难度和成本。
因此，选择合适的层厚对于保证316L不锈钢的力学性能至关重要。
（二）层厚与耐腐蚀性的关系316L不锈钢的耐腐蚀性主要取决于其合金成分和微观结构。
在SLM成形过程中，层厚会影响金属粉末的熔化和凝固过程，进而影响其微观结构。
适当调整层厚可以优化316L不锈钢的微观结构，从而提高其耐腐蚀性。
（三）层厚与表面粗糙度的关系在SLM成形过程中，较小的层厚可以减小热累积效应和温度梯度变化对材料表面的影响，从而提高316L不锈钢的表面质量。
此外，合理的层厚选择也有助于减少制造成本和加工时间。
四、实验与分析为了研究高功率选区激光熔化成形316L不锈钢的层厚与性能的关系，我们进行了一系列实验。
《2024年高功率选区激光熔化成形316L不锈钢层厚与性能的关系》范文
《高功率选区激光熔化成形316L不锈钢层厚与性能的关系》篇一一、引言随着激光熔化成形技术的快速发展，高功率选区激光熔化成形（HP-SLM）技术在制造领域得到了广泛应用。
该技术以其高精度、高效率和良好的成形性能，在制造复杂零部件和功能性产品方面具有显著优势。
在众多材料中，316L不锈钢因其优异的耐腐蚀性、高强度和良好的加工性能，成为HP-SLM技术中常用的材料之一。
然而，激光熔化成形过程中，层厚对最终产品的性能具有重要影响。
本文旨在探讨高功率选区激光熔化成形316L不锈钢层厚与性能之间的关系。
二、实验方法2.1 材料选择与制备实验选用316L不锈钢粉末作为原材料。
粉末经过筛分、去杂等预处理后，按照一定的工艺参数进行激光熔化成形。
2.2 实验设备与工艺参数采用高功率激光熔化成形设备，设定激光功率、扫描速度、扫描间距等工艺参数，进行不同层厚的316L不锈钢试样制备。
2.3 试样制备与性能测试制备不同层厚的316L不锈钢试样，采用金相显微镜、扫描电镜等设备观察试样的微观组织结构，并通过硬度计、拉伸试验机等设备测试试样的硬度、拉伸强度等性能指标。
三、结果与分析3.1 微观组织结构随着层厚的增加，316L不锈钢试样的微观组织结构发生变化。
当层厚较小时，熔池内的热量传递较快，晶粒细化，组织致密；而随着层厚的增大，热量传递受阻，晶粒长大，组织疏松。
3.2 硬度与层厚的关系实验结果显示，316L不锈钢试样的硬度随层厚的增加呈现先增后减的趋势。
在适中的层厚范围内，试样的硬度较高，这是因为适当的层厚有利于激光能量的吸收和传递，使得熔池内的热量分布更加均匀，从而获得更好的成形性能。
而当层厚过大或过小时，试样的硬度降低。
3.3 拉伸性能与层厚的关系拉伸试验结果表明，层厚对316L不锈钢试样的拉伸性能具有显著影响。
适中的层厚有利于获得较高的抗拉强度和延伸率。
当层厚过小时，试样在拉伸过程中容易发生断裂；而当层厚过大时，试样的拉伸性能降低。
316L不锈钢选区激光熔化成型非水平悬垂面研究
0. 2 J / mm 时悬垂面成型精度最高，悬垂面翘曲最小，成型完整悬垂表面的倾斜角度达到 30°． 最后，通过成型
带有悬垂结构的个性化零件对研究结果进行验证． 成型件悬垂结构在成型方向和水平方面上的尺寸精度分
别达到 0. 1 mm 以下和 0. 01 mm． 本研究从工艺和设计的角度为选区激光熔化技术直接成型非水平悬垂面提
第6 期
杨永强，等： 316L 不锈钢选区激光熔化成型非水平悬垂面研究
·95·
型有重大影响． 目前，国内外尚未见到有对于零件悬垂面的
成型很好的控制手段的报道． 通过 SLM 成型的零 件悬垂结构，通常同时存在翘曲、悬垂物等缺陷． 对于水平或接近水平的悬垂面，只能通过添加支 撑保证成型［4］； 对于非水平的倾斜悬垂表面，一 般认为低于某个的倾斜角度后，必须通过添加支 撑保证成型． 然而，支撑结构对零件表面会造成的 破坏，必须通过打磨等手段去除，增加了后处理时 间和难度． 目前，不添加支撑直接成型悬垂结构仍 是 SLM 领域的一个难点． E． Yasa 等提出通过成 型过程的反馈控制及激光表面重熔、激光刻蚀等 后处 理 方 法 提 高 悬 垂 结 构 成 型 效 果［5］． 除 此 之 外，尚未有文献报道对影响悬垂结构成型效果的 SLM 工艺因素进行研究及提出提高 SLM 直接成 型金属零件悬垂面成形精度的方法．
悬垂层翘曲的累积是造成非水平悬垂面成形 失败的主要原因． 某一层悬垂部分的上翘会影响
兹′ 兹
图 3 多层悬垂部分翘曲积累与极限角度的形成
1. 2 非水平悬垂面成型影响因素 由图 1 可知，θ 越小意味着层与层间悬空部
分 a 越大，当 a 大于光斑直径时，激光聚焦光斑完 全落在粉末支撑区域上成型悬垂面，激光能量过 度熔化粉 末，导 致 熔 池 体 积 很 大，并 沉 陷 到 粉 末 中． 为了稳定成型悬垂面，a 须小于光斑半径，使 激光光斑大部分在实体支撑区域进行扫描． 对于 500 目球形不锈钢粉末（ 平均粒径 17 μm，最大粒 径 30 μm） ，一般选择层厚 h = 35 μm，保证每一层 铺粉稳定． 根据式（ 1） ，a 需小于光斑直径 70 μm， 得出 θ ≈27° 是 SLM 成型悬垂结构的最 小 倾 斜 角，只有不发生翘曲时才能达到； 而当 a 小于光斑 半径时，则得出 θ = 45°是 SLM 成型悬垂结构的可 靠成型角度．
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ISSN 1000-0054CN 11-2223/N 清华大学学报(自然科学版)J Tsingh ua Univ (Sci &Tech ),2007年第47卷第11期2007,V o l.47,N o.111/361941-1944316L 不锈钢粉末的电子束选区熔化成形齐海波, 林 峰, 颜永年, 张浩然, 杨 黎(清华大学机械工程系,先进成形制造教育部重点实验室,北京100084)收稿日期:2006-11-10基金项目:国家自然科学基金资助项目(50475015);教育部博士点基金资助项目(20050003046)作者简介:齐海波(1972—),男(汉),湖北,博士后。
通讯联系人:林峰,副教授,E-mail :l infeng@tsinghua.ed 摘 要:电子束选区熔化技术在人体植入物、航空航天小批量零件的直接快速制造方面具有重要的意义。
为此,该文采用自行研制的电子束选区熔化设备,研究了电子束选区熔化316L 不锈钢粉末的工艺参数、微观组织及熔化成形机理。
结果表明:电子束电流、作用时间和聚焦电流对层间结合情况影响较大,作用时间和填充线间距对可成形性影响较大;当能量密度系数为62.8G J /m 3、基板厚度为0.5mm 时,制备的成形件晶粒细小,组织均匀,无气孔、裂纹及未熔颗粒等缺陷出现。
关键词:快速制造;电子束;选区熔化;316L 不锈钢粉末中图分类号:T H 164;TN 101文献标识码:A文章编号:1000-0054(2007)11-1941-04Electron beam selective melting of316L stainless steel powderQ I Haibo ,LIN Feng ,YA N Yongnian ,ZHANG Haoran ,YAN G Li(Key Laboratory for Advanced Materials Processing Technologyof Ministry of Education ,Department of Mechanical Engineering ,Ts inghua Universtiy ,Beijing 100084,China )Abs tract :Electron beam selectiv e m elting (EBSM )can be used in human implan ts and low-quan tity,rapid manufactu ring of aeros pace parts.An EBSM s ystem w as des igned to s tud y the tech nical parameters ,microstructu res and melting p roces ses of 316L stainless steel pow der.Th e results sh ow th at the electron beam curren t,acting time,and beam focus greatly affect the betw een-layer forming quality,with th e acting time and the filling gap significantly affecting th e pow der forming ability.A part can be prepared at an optimum en ergy density of 62.8GJ /m 3and a base plate thick nes s of 0.5mm ,w ith fin e crys tals and micros tructures w ithou t unmelted powd er,air holes ,or cracks.Key words :rapid manufacturing;electron beam;selectiv e m elting;316L stainless s teel pow der电子束选区熔化技术(EBSM )是一种采用高能高速的电子束选择性地轰击金属粉末,从而使得粉末材料熔化成形的快速制造技术[1-2]。
EBSM 技术使用粉末作为成形材料,存在2个主要问题[3]:1)在真空室抽气过程中粉末容易被气流带走,造成真空系统的污染;2)在电子束作用下粉末容易溃散。
因此,粉末材料一直很难成为真空电子束设备的加工对象,工艺参数方面的研究更是鲜有报导。
为此,本文针对316L 不锈钢粉末的EBSM 技术进行工艺研究,探讨了粉末材料在电子束作用过程中的能量转换及熔化、凝固行为。
1 电子束选区熔化快速制造技术EBSM 技术的工艺过程为:先在铺粉平面上铺展一层粉末;然后,电子束在计算机的控制下按照截面轮廓的信息进行有选择的熔化,金属粉末在电子束的轰击下被熔化在一起,并与下面已成形的部分粘接,层层堆积,直至整个零件全部熔化完成;最后,去除多余的粉末便得到所需的三维产品。
图1为EBSM 成形原理示意图。
上位机的实时扫描信号经数模转换及功率放大后传递给偏转线圈,电子束在对应的偏转电压产生的磁场作用下偏转,达到选择性熔化。
该技术无需扫描机械运动部件,电子束移动方便,可实现快速偏转扫描功能(扫描速度可达1m /s)。
电子束的能量利用率高、熔化穿透能力强、无反射、可加工材料广泛及运行维护成本低等特点使EBSM 在人体植入物、航空航天小批量零件、野战零件快速制造等方面具有独特的优势[4]。
2 试验材料及方法2.1 试验材料针对粉末在电子束作用下容易溃散的现象,提出不同粉末体系所能承受的电子束域值电流(溃散电流)和电子束扫描域值速度(溃散速度)判据,并在上述研究的基础上制备了适合本文研究的316L不锈钢混合粉末[5],其组成为:40%～60%的40～100μm气雾化法粉末、15%～30%的≤40μm气雾化法粉末和10%～20%的≤40μm水雾化法粉末。
图1 电子束选区熔化快速制造技术原理图2.2 工艺参数选取电子束电流(I0)、聚焦电流(I A)、作用时间(Δt,电子束在每个偏转点的停留时间)和填充线间距(h d)为工艺研究对象。
粉末层厚0.5mm,加速电压50kV,扫描成形件的尺寸为8mm×20mm×10mm,采用Z字形扫描方式。
在初步工艺试验所得工艺参数的基础上,进行正交试验(见表1)。
表1 工艺参数的L16(55)正交试验设计表水平因素I0/m AΔt/m s h d/mm I A/m A 水平1 2.060.10396水平2 2.550.15398水平3 3.040.20400水平4 3.530.10402 正交试验的考核指标包括粉末的可成形性和层间结合情况。
可成形性的考核指标为粉末飞溅、熔化金属结球及填充线断裂等各种缺陷出现的几率,层间结合情况的考核指标为填充线是否平直、层间冶金结合程度、层内有无未熔颗粒和空洞。
2.3 性能检测扫描成形件分别沿长和宽2个方向切开,在丹麦Struers金相制样镶嵌机上进行试样镶嵌、预磨及抛光,比较成形件中间区域的层间结合情况。
试样侵蚀液由5g Fe3Cl、50m L HCl及100m L去离子水组成。
试验中使用KH-1000视频显微分析仪和LEO1530扫描电子显微镜。
3 试验结果与分析3.1 工艺参数及能量密度系数的确定正交试验结果表明,影响可成形性的主要因素是作用时间和填充线间距,较佳的工艺参数为:作用时间4ms,填充线间距0.10mm,电子束电流3.0m A,聚焦电流400m A;影响层间结合情况的因素依次为作用时间、电子束电流、聚焦电流和填充线间距,较佳的工艺参数范围为:作用时间4～5 m s,电子束电流2.8m A,聚焦电流400m A,填充线间距0.10～0.15m m。
对可成形性影响最大的工艺参数是作用时间。
作用时间越短,金属粉末从电子束获得的能量就越低,金属粉末熔化成液体的数量减少,成形区内没有足够多的金属液体去浸润热影响区内的金属粉末,从而得不到连续的填充线;反之,电子束长时间地停留在一个扫描点,该点粉末熔化后由于温度较高会吸收周围的粉末,并将这些粉末加以熔化,造成下一个扫描点周围的粉末数量减少,填充线断开。
因此,合适的作用时间对于可成形性具有重要的影响。
填充线间距越大,下条将要扫描到的填充线从正在扫描的填充线获得的热量就少,相邻填充线黏结强度弱,电子束冲击作用明显,从而影响可成形性。
对层间结合情况影响最大的工艺参数也是作用时间。
只要粉末熔化成形过程中不出现断开、结球等扫描缺陷,粉末从电子束获得的热量就能连续传递给即将熔化区域,从而不仅可将该区域的粉末固定,而且还能将其温度迅速提升到较高的水平,金属熔液的受力较为平稳,因此,层间结合情况较好。
电子束电流对层间结合的影响也较大。
在其他工艺参数不变时,电子束功率密度随电子束电流的增加而增加,金属粉末获得的能量也随之增加,金属粉末熔化程度提高,不仅当前层内的金属粉末完全熔化,而且已成形部分的上表面也会部分熔化。
同时发现,电子束的聚焦状况对层间结合也有一定影响,采用下聚焦(聚焦位置在当前粉末层中间某个部位)时,当前粉末层上、中、下部分及已成形层上部分都能较为充分地熔化,层间结合易成为冶金结合。
需指出,对可成形性影响较大的填充线间距只是对表面光滑程度影响较大,对层间结合的影响不大,其原因在于填充线重叠扫描的作用不是将粉末从固态熔化成液态,而是延缓液态金属的冷却,粉末的熔化在前一条填充线扫描过程中已经完成。
1942清华大学学报(自然科学版)2007,47(11)研究人员一直试图将成形过程所使用的工艺参数用一个统一的能量密度系数E 0表述[6]。
为此,本文根据各个工艺参数对层间结合的影响程度,并结合电子具有较强的穿透能力,同一层粉末不同高度处吸收的电子束能量相差不大的特点,采用与电子束电流密切相关的聚焦状况、单位体积功率密度和作用时间作为E 0(J/m 3)表达式的组成部分:E 0=I A IF UI 0hr 0s Δt .(1)式中:U 为加速电压,V ;r 0为束斑半径,m ;I F 为表面聚焦时的聚焦电流,m A,本文中为398m A;s 为扫描数据点距,m;h 为粉层厚度,m 。
本文中,U 、r 0和I F 为定值,因此,能量密度系数主要与电子束电流、作用时间和聚焦电流有关。
将正交试验确定的优化工艺参数代入式(1),得到优化的能量密度系数的范围为50.0～62.2GJ/m 3。
将正交试验结果代入式(1)得到的E 0作为横轴,以层间结合情况的评分M 作为纵轴,得图2。