3d打印机|激光增材制造中显微组织发展和技术挑战：以316L工业零件为例( 二 ) 冶金|锻造|显微镜

。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。