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( 三 ) 冶金|锻造|显微镜

图1(a)为本研究选择的整个通风口和通风口横截面的照片；(b)为本研究使用的ECN(法国)CLAD 3D打印机的照片概览；(c)喷嘴内部设计和光学镜头特性的示意图；(d)3D扫描轨迹的图形表示以及相应的扫描速度(以mm/min为单位) 。
在低光学放大率下对零件表面进行目视检查后，将两个选定的通风口沿多个方向进行截面切割、蚀刻、抛光和检查，如图1(a)所示。在抛光横截面上100g载荷下进行维氏显微硬度(HV)压痕测量，以评估整个AM零件的显微硬度及其变化。至于显微硬度调查，显微组织检查和分析是沿着几个方向完成的，特别侧重于垂直或构建方向。为了突出内部AM显微组织，使用Kalling-2试剂(即100mL蚀刻液30mL蒸馏水33mL盐酸33mL乙醇2g氯化铜)对横截面进行腐蚀。为了进一步了解和理解晶粒结构、内部纹理和与所选AM条件相关的潜在各向异性，还进行了电子背散射衍射(EBSD)分析。显微组织观察首先使用扩展场深成像的KEYENCE VHX数字光学显微镜和JEOL JSM-601LA扫描电子显微镜。为了进行补充EBSD分析，使用金刚石悬浮液和0.05μm胶体二氧化硅溶液对试验样品进行重新抛光。采用安装在PHILIPS XL-30FEG型SEM上的EDAX/TSL HIKARI探测器，在20kV加速电压下实现EBSD 。在整个样品宽度范围内进行EBSD扫描，并以1μm的步长向构建方向扩展。选择这个步骤是为了获得1052*1800μm2的高分辨率区域。为了以最小的成本使零件适合使用，值得一提的是，对所选的AM零件进行了研究，这意味着没有任何可能增强零件性能的后处理。
3.结果与讨论
为了快速评估AM是否是一种值得使用的替代工艺，首先考察了一种简单的力学性能如显微硬度，并与传统成形和焊接工艺制造的类似零件的典型值进行了对比。特别强调了显微硬度及其变化。对于所研究的两个通风口之一，图2总结了沿YZ平面进行显微硬度压痕测量的主要结果。可以看出，除200HVN以下的零星软“点”外，整个截面的显微硬度值仍在215~243HVN之间。这些数值与从增材制造文献或焊接文献中借用的其他有关316L不锈钢的刊物数据非常吻合[16-21
。具体来说，对于激光粉末送料AM ， Amine等人[17
最近报道316L不锈钢的显微硬度在225~250HVN之间，其值也与Dutta等人[18
近十年前进行的激光熔复研究非常吻合。相比之下， Jerrard等人[19
对于通过选择性激光熔化(Sμm)固结的316L和17-4PH不锈钢粉末混合物，观察到较低的显微硬度值，平均只有170HVN 。这些变化突显出AM的工业挑战，可以概括为：(1)完全可以预测AM零件在整个体积中的关键特性；(2)AM零件、AM供应商、3D打印AM技术和商业原料供应商之间的结果一致，不论工艺参数、优化或零件设计。在对两个316L AM通风口的所有试验数据进行了深入分析后，将进一步讨论原料和AM工艺参数的影响。为了解释图2的显微硬度变化，本文现在对这两个通风口进行了检验，从其外部成形开始，继续其内部的显微组织，其余部分只关注YZ平面。

图2整个零件中心平面(即图1d中所示的YZ平面)测量的维氏显微硬度值。请注意显微硬度值(HVN)的变化，这是通过100克载荷压痕确定的。
图3显示了一组具有三个特写视图的四张图片。图3(a)显示了从底部(左)到顶部(末端)的两个选定的通风口之一。虽然从图3(a)到(d)沿水平轴定向，但该部分是垂直构建的。在所有图片中，请注意所构建的外表面是相当粗糙的。基座的图3(b)显示了与单个构建层对应的特征水平条带，也确认了零件构建方向。在基底附近，图1(d)显示扫描速度是最低的，导致层比其他地方更厚，正如图2的内表面所描述的那样。在整个零件高度上，这些波段在外观上也有所不同，特别是颜色和宽度。在前二十层中，尽管扫描速度增加，但层厚几乎不变；然而，随着零件曲率的发展和新的熔融动力学的建立，层厚的变化相对较大(图23(b)) 。作为补充，图3(c)揭示了条带(层)之间的精确分界是由于部分熔化和未熔化的粉末投射到零件表面。零件表面没有完全熔化意味着它也可能延伸到零件内部，这意味着致密化可能不完全。在Gu等人[22