增材制造不锈钢的组织和性能

1.1 试验材料的制备

     试验材料为304不锈钢和316L不锈钢粉末，粒径为15μm~53μm，采用金属3D打印设备，得到规格(直径×长度)为10mm×15mm的圆柱。激光功率为275W，扫描速度为1000mm/s，层厚为0.05mm，扫描间距为0.08mm。

1.2 试验方法

     将304不锈钢及316L不锈钢材料3D打印试样沿着垂直于打印方向(横向)及打印方向(纵向)进行切割，用美国标乐制样设备进行加工和磨抛后，用氯化铁-盐酸溶液对试样进行腐蚀。使用光学显微镜对试样进行金相检验，用扫描电子显微镜对试样进行分析，同时利用能谱仪对试样微区进行分析，观察区域成分的均匀性。

2.1 金相检验结果

     利用光学显微镜观察经过磨抛的试样，发现横向试样上局部存在孔洞和微裂纹，孔洞和微裂纹分布不均匀。304不锈钢材料3D打印试样的孔洞和裂纹较多，裂纹多为沿晶裂纹，缺陷没有明显的分布规律；316L不锈钢材料3D打印试样的横截面几乎没有明显裂纹，孔洞较少且形状较为圆润，局部位置有成排分布的趋势，如图1所示。

     用光学显微镜观察腐蚀后的不锈钢材料3D打印试样，304不锈钢材料3D打印横向试样的组织呈现横纵交错的编织状结构，局部呈现花纹结构，将花纹结构放大观察，发现了更微观的编织状结构，整个截面的编织状结构不均匀。316L不锈钢材料3D打印横向试样的组织形态与304不锈钢材料3D打印横向试样的结构相似,但316L不锈钢材料3D打印横向试样编织状结构整体更为均匀，结构更为规则，两种不锈钢材料3D打印横向试样腐蚀后的微观形貌如图2所示。

     用光学显微镜观察腐蚀后的316L不锈钢材料3D打印纵向试样，其纵向截面的孔洞和裂纹也较少，组织形态呈现鱼鳞状结构，“鳞片”生长方向为3D打印生长方向的逆方向(见图3)。

2.2 扫描电子显微镜分析结果

      用扫描电子显微镜分析304不锈钢及316L不锈钢材料横向试样，发现两种材料横纵交错纤维结构的微观形貌相同，都呈现蜂窝状结构或管型结构，表现出各向异性，316L不锈钢材料3D打印横向试样腐蚀后的微观形貌如图4所示。

     采用扫描电子显微镜对304不锈钢和316L不锈钢两种材料的3D打印纵向试样进行分析，发现二者放大后的微观形貌相同，“鳞片”形态在高倍下呈现蜂窝状结构，316L不锈钢材料3D打印纵向试样腐蚀后的微观形貌如图5所示。在同一个微熔池下可以观察到多个晶粒，而在晶粒中可观察到多个存在各向异性的亚晶胞。由于其各向异性，有些亚晶胞在截面上呈现近等轴状的胞状结构，有些亚晶胞则呈现类豆荚状的柱状结构。

     利用能谱仪对316L不锈钢材料3D 打印横向试样的微区进行分析，发现试样的成分基本均匀，无局部元素偏聚及二次相析出，其能谱分析结果如图6所示。

2.3 硬度测试结果

     用布氏硬度计对304不锈钢和316L不锈钢材料3D打印试样分别进行宏观硬度测量，结果如表1所示。304不锈钢材料3D打印试样比316L不锈钢材料3D打印试样的硬度低，但均在标准范围内。

表1 两种材料3D打印试样的硬度测试结果

2.4 力学性能测试结果

      对316L不锈钢材料3D打印试样和普通316L不锈钢试样分别进行拉伸试验，结果如表2所示，由表2可知，用3D打印技术制备的316L不锈钢材料试样的力学性能比普通316L不锈钢材料试样的屈服强度和抗拉强度都大，伸长率也有所增大。

表2 316L不锈钢材料3D打印试样与其普通试样的力学性能

     不锈钢材料3D打印横向试样编织状的层叠形貌明显，许多位置的编织状纤维部分形貌光滑、结构连贯、形态均匀。原材料颗粒在逐层快速高温熔融后的快速冷却堆积过程中，后沉积层在高温沉积时放出的热量传递给前沉积层，这种反复微区热处理必然会对前沉积层产生影响，而出现工件不同区域的组织不均。

     纵向试样上的鱼鳞状结构特点说明大量金属颗粒经过激光轰击熔化后，处在短暂熔融期的金属小液滴在重力作用下有向下滴落的运动趋势，其迅速凝固后，保留了这一特点，所以每一熔积层结构的下端会有近圆形的形貌呈现出来，凝固后的纵向试样存在明显的各向异性，最终形成了类似鱼鳞状的形态。

     在相同工艺下，316L不锈钢材料3D打印试样明显比304不锈钢材料3D打印试样的致密性更好，缺陷和孔洞更少，均匀性更佳，同时也说明316L不锈钢材料3D打印试样不同位置的硬度较为均匀。这是因为添加的钼元素使其淬透性更强，有利于3D打印过程中快速成型，且具有回火稳定性，对于钢的延展性和耐磨性具有正向作用，可提高钢的热强度。最终成型的316L不锈钢材料3D打印试样的综合性能优于304不锈钢材料3D打印试样。