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( 八 ) 冶金|锻造|显微镜

认识到，由于液体流动和回填有限，与平均粉末直径相当的层厚会降低表面光洁度。已发现同样的AM工艺参数也会影响内部缺陷；在实践中，较差的表面光洁度已被用来直观和无损地评估内部缺陷的存在。对于激光粉末床AM ， Kamath等人[39
在使用316L不锈钢时观察到工艺参数会影响孔隙度。较低的扫描速度和相应较高的熔化速率有效地降低了孔隙度并提高了力学性能[39
。为了进一步说明316L不锈钢工艺参数的影响， Kok Yihong等人[40
最近报告了SLM和EBM制造的零件之间的主要差异，包括拉伸强度在250-550MPa之间的变化，这取决于工艺和构建方向。仅此参考就说明了首先优化沉积参数的必要性，在文献中有所欠缺。 AM的影响因素很多。在开发新的材料解决方案以解决所观察到的一些挑战之前，工艺参数优化仍然是工业零件应用的最短路径。

图9一组典型的316 AM单轴拉伸试样的断裂测试SEM图像。 (a)低倍率SEM图像，显示观察到的孔隙内有细粉末；(b)另一个孔隙的特写视图，显示周围的夹杂物和细小凹坑；(c)在(b)中看到的凹痕的高倍放大视图， (d)用于比较，在锻造的316L拉伸试验样品中，在相似放大倍数下的韧性断裂表面。
图9所示为经准静态断裂试验的316L不锈钢拉伸试样的一组扫描电子显微照片。除扫描速度调整为500mm/min外， AM拉伸试样采用与本研究的两个通风口相同的CLAD 3D打印机和可比较的沉积参数生产的。尽管AM条件存在差异，但正如热流所解释的那样，所有的显微组织几乎没有区别，但略显粗糙。在准静态拉伸试验之后，提出并讨论了一些特性。图9(a)显示了一个沿大空隙(非通风口的特性)遇到的断裂表面的低放大倍数图像。断口表面虽然以低倍率显示，但在背景中显示出凝固显微组织，从而支持因收缩或杂质而导致的裂纹的存在。虽然没有进行特别检查，但绝大多数情况下， 316L不锈钢断裂面如图9(b)到(c)所示。图9(b)显示了另一个具有典型聚结微孔的断裂面，清晰地显示了韧性塑性行为。从图9(c)的高倍放大图可以看出，这些微孔也比图5和图6中观察到的凝固细胞和枝晶要细得多。为了便于比较，图9(d)显示了锻造316L不锈钢拉伸试样的SEM断口。由于这种锻造316L不锈钢中存在夹杂物，说明锻造合金的质量等级可能较低，因此不一定优于在高度受控环境下使用优质原料生产的AM产品。通风口是由优质粉末制成的，其化学成分、颗粒形态和可能控制的气体含量受到严格控制，从而产生非常精细的显微组织。 Hall-Petch的关系决定了硬度和强度与细晶粒的增加。最近对316L不锈钢进行了适当优化工艺参数的内部评价表明，与在铸造或锻造条件下固溶退火的316L的公认值170、440MPa和40%相比， 316L不锈钢具有更高的屈服强度和拉伸强度，伸长率接近35% 。

图10上图：在参数为a:300W ， 1800mm/s和b 300W ， 1500 mm/s的条件下得到的熔池宽度、高度和深度；
下图：在参数为a：300W ， 1200mm/s和参数b：300W ， 800 mm/s的条件下得到的熔池宽度、高度和深度
从材料的角度来说， AM零件与锻造、铸造或烧结零件相比，具有独特的显微组织、力学和电化学性能[91015-22303136-40
。对于给定的3D打印机，原料特性和工艺参数并不能完全解释观察到的AM零件性能的变化[40
。例如，可以通过单向扫描(通过在返回行程上关闭光束电源的情况下始终在相同的两个坐标处重新启动)或在每一新层(电源一直开着)之后交替地反转光束方向来制造特定的AM零件。这两个场景说明了评估针对一组属性和需求制造给定AM零件的最优策略的重要性。这些通常包括密度(与孔隙度和“球化”现象直接相关[22