CN108339983A - 一种304/304l不锈钢的选区激光熔化成型方法 - Google Patents

一种304/304l不锈钢的选区激光熔化成型方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种304/304L不锈钢的选区激光熔化成型方法。该方法包括如下步骤：1)将不锈钢球形粉末装入选区激光熔化3D打印机的供粉腔内；2)向成型室内充入保护气体；3)在基板上预先均匀铺置厚度小于50μm的不锈钢球形粉末；4)构建预制备不锈钢试样的三维模型，将三维模型进行位置摆放，对三维模型进行分层处理，将分成处理后的分层数据输入激光扫描路径生成软件中生成打印文件；5)激光器扫描预不锈钢球形粉末形成平整的不锈钢熔化层，基板下降设定厚度的距离，在不锈钢熔化层上重新铺置厚度与基板下降厚度相同的不锈钢球形粉末，扫描铺设的不锈钢球形粉末，得到平整的不锈钢熔化层；6)重复步骤5)。该方法周期短、材料损耗少。

Description

一种304/304L不锈钢的选区激光熔化成型方法
技术领域
本发明涉及3D打印领域，特别是涉及一种304/304L不锈钢的选区激光熔化成型方法。
背景技术
304/304L不锈钢具有优异的耐蚀性、耐热性与良好的塑性韧性、低温强度和机械特征(冲压、弯曲等热加工性)，常用于制作要求耐酸、耐碱与耐盐腐蚀等关键零部件，是工业领域应用最为广泛的一种铬镍不锈钢。由于核电、化工、轮胎模具等领域技术标准要求使用现有的制备工艺存在周期长、材料损耗大的问题，同时产品存在性能不稳定的问题。
发明内容
基于此，有必要提供一种周期短、材料损耗少且产品性能优良的304/304L不锈钢的选区激光熔化成型方法。
一种304/304L不锈钢的选区激光熔化成型方法，包括如下步骤：
1)将不锈钢球形粉末装入选区激光熔化3D打印机的供粉腔内；
2)将所述选区激光熔化3D打印机的成型室内的基板调至水平，且所述基板与刮刀的间隙小于0.05mm，向所述成型室内充入保护气体，所述保护气体为氮气或者氩气；
3)通过所述刮刀在所述基板上预先均匀铺置一层铺置厚度的不锈钢球形粉末；当保护气体为氮气且铺置的不锈钢球形粉末的层厚为20μm时，所述激光器的激光功率为50w-350w，所述激光器的扫描速度为600mm/s-3000mm/s，所述激光器的扫描间距为0.03mm-0.1mm，所述激光器的条状宽度为4mm-6mm，所述基板的温度为30℃-60℃；当保护气体为氮气且铺置的不锈钢球形粉末的层厚为40μm时，所述激光器的激光功率为80w-360w，所述激光器的扫描速度为500mm/s-2500mm/s，所述激光器的扫描间距为0.05mm-0.120mm，所述激光器的条状宽度为6mm-10mm，所述基板的温度为60℃-80℃；当保护气体为氩气且铺置的不锈钢球形粉末的层厚为20μm时，所述激光器的激光功率为60w-340w，所述激光器的扫描速度为750mm/s-3500mm/s，所述激光器的扫描间距为0.04mm-0.15mm，所述激光器的条状宽度为4mm-6mm，所述基板的温度为40℃-70℃；当保护气体为氩气且铺置的不锈钢球形粉末的层厚为40μm时，所述激光器的激光功率为80w-375w，所述激光器的扫描速度为850mm/s-3700mm/s，所述激光器的扫描间距为0.05mm-0.20mm，所述激光器的条状宽度为6mm-10mm，所述基板的温度为50℃-100℃；
4)构建预制备不锈钢试样的三维模型，将所述三维模型摆放至铺置位置，再对所述三维模型进行分层处理，将分成处理后的分层数据输入激光扫描路径生成软件中生成打印文件，所述打印文件包含每一层不锈钢球形粉末的铺设厚度、所述激光器对每一层不锈钢球形粉末的扫描路径；
5)所述选区激光熔化3D打印机的激光器根据所述打印文件扫描预先铺置的不锈钢球形粉末，所述不锈钢球形粉末在所述基板上形成第一层不锈钢熔化层；
6)随后所述基板下降设定高度，再通过所述刮刀在所述第一层不锈钢熔化层上重新铺置一层厚度与所述基板下降的设定高度相同的不锈钢球形粉末，所述激光器再次扫描铺设的不锈钢球形粉末，得到第二层不锈钢熔化层；
7)重复步骤6)，直到整个不锈钢熔化层形成所述三维模型，即得到成型件，将所述成型件从所述基板上切割分离。
在其中一个实施例中，当所述保护气体为氮气时，所述保护气体的氧含量不高于1.3％；当保护气体为氩气时，所述保护气体的氧含量不高于0.13％。
在其中一个实施例中，所述激光器为光纤激光器，所述激光器的波长为1060nm，所述激光器的额定功率为400w，所述激光器的聚焦光斑直径在50μm-100μm，所述激光器的振镜扫描速度为0-7000mm/s。
在其中一个实施例中，所述不锈钢球形粉末的球形度大于等于99％；所述不锈钢球形粉末的粒径为15μm-55μm，松装密度为4.0g/cm3-5.3g/cm3，流动性为15S-27S，所述不锈钢球形粉末的成分中元素含量百分比如下：C≤0.08％，Si≤1.0％，Mn≤2.0％，Cr为18.0％～20.0％，Ni为8.0％～12.0％，S≤0.03％，P≤0.035％。
在其中一个实施例中，所述不锈钢球形粉末的粒径为18μm-53μm，松装密度为4.5g/cm3-5.0g/cm3，流动性为18S-25S，所述不锈钢球形粉末的成分中元素含量百分比如下：C≤0.03％，Si:≤1.0％，Mn：≤2.0％，Cr：18.0％～20.0％，Ni：8.0％～10.5％，S：≤0.03％，P：≤0.035％,N≤0.1％。
在其中一个实施例中，当预制备不锈钢试样的壁厚小于0.5mm时，所述刮刀选用毛刷刮刀；当预制备不锈钢试样的壁厚为0.5mm-50mm时，所述刮刀选用高速钢刮刀；当预制备不锈钢试样的壁厚大于50mm时，所述刮刀选用陶瓷刮刀。
在其中一个实施例中，所述激光器的扫描路径为67°层错扫描。
上述304/304L不锈钢的选区激光熔化成型方法，采用选区激光熔化3D打印机实现预制备不锈钢试样的3D打印成型，选区激光熔化3D打印机采用的选区激光熔化(SelectiveLaser Melting，SLM)技术能按照三维数据模型直接将金属粉末在激光束的热作用下完全熔化并凝固成型为具有良好冶金结合和较高精度的金属零件，特别适合薄壁、内腔复杂、内流道等传统加工技术难以实现的复杂薄壁精密构件的制造，成型件组织细小致密、成分均匀、性能优异。选区激光熔化(SLM)技术能够有效扩大不锈钢的应用领域，例如高面积体积比的微型反应器、网状结构件、轻量化设计构件成型等传统加工技术无法实现的应用领域。上述304/304L不锈钢的选区激光熔化成型方法具有周期短、材料损耗少、产品性能优良等特点，采用上述方法得到的成型件的力学性能优异明显高于采用现有技术得到的成型件。
上述304/304L不锈钢的选区激光熔化成型方法与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：
1、上述304/304L不锈钢的选区激光熔化成型方法采用SLM技术得到高性能不锈钢的成型件，成型件抗拉强度大于等于678MPa、屈服强度大于等于517MPa、硬度大于等于250HV0.2、延伸率大于等于45％，明显优于现有技术成型的与同成分的不锈钢的成型件(抗拉强度427MPa、屈服强度385MPa、硬度182HV0.2、延伸率38％)。
2、上述304/304L不锈钢的选区激光熔化成型方法，以逐点逐线逐层的方式成型试样，不锈钢粉末在成型室内无相互运动且在液相下均匀反应，不锈钢的成型件晶粒尺寸细小，成分更均匀、无明显的偏析，致密度大于等于99.95％，高于已报道的同成分的不锈钢的成型件(致密度94.63％)。
3、上述304/304L不锈钢的选区激光熔化成型方法得到的不锈钢的成型件，成型件表面粗糙度Rz70-90μm，符合产品要求。
4、上述304/304L不锈钢的选区激光熔化成型方法，成型过程中产生的熔渣少，减少了粉末的浪费，提高了粉末的利用率，节约了成本。
附图说明
图1为一实施例所述的304/304L不锈钢的选区激光熔化成型方法制备的304不锈钢成型件的抛光金相图；
图2为一实施例所述的304/304L不锈钢的选区激光熔化成型方法制备的304不锈钢成型件的水平面腐蚀金相图；
图3为一实施例所述的304/304L不锈钢的选区激光熔化成型方法制备的304不锈钢成型件的侧平面腐蚀金相图；
图4为一实施例所述的304/304L不锈钢的选区激光熔化成型方法采用的304不锈钢球形粉末的粒径分布图；
图5为一实施例所述的304/304L不锈钢的选区激光熔化成型方法的激光器扫描路径图。
具体实施方式
为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的较佳实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容的理解更加透彻全面。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
本实施例涉及了一种304/304L不锈钢的选区激光熔化成型方法。该304/304L不锈钢的选区激光熔化成型方法用于304/304L不锈钢粉末的选区激光熔化成型。
该304/304L不锈钢的选区激光熔化成型方法包括如下步骤：
1)将不锈钢球形粉末装入选区激光熔化3D打印机的供粉腔内；
2)将选区激光熔化3D打印机的成型室内的基板调至水平，且基板与刮刀的间隙小于0.05mm，向成型室内充入保护气体；
进一步地，在一个实施例中，向成型室内充入保护气体为氮气或者氩气。
优选地，在一个实施例中，当保护气体为氮气时，保护气体的氧含量不高于1.3％，当保护气体为氩气时，保护气体的氧含量不高于0.13％。
在一个实施例中，当保护气体为氮气且铺置的不锈钢球形粉末的层厚为20μm时，激光器的激光功率为50w-350w，激光器的扫描速度为600mm/s-3000mm/s，激光器的扫描间距为0.03mm-0.1mm，激光器的条状宽度为4mm-6mm，基板的温度为30℃-60℃；
当保护气体为氮气且铺置的不锈钢球形粉末的层厚为40μm时，激光器的激光功率为80w-360w，激光器的扫描速度为500mm/s-2500mm/s，激光器的扫描间距为0.05mm-0.120mm，激光器的条状宽度为6mm-10mm，基板的温度为60℃-80℃。
在一个实施例中，当保护气体为氩气且铺置的不锈钢球形粉末的层厚为20μm时，激光器的激光功率为60w-340w，激光器的扫描速度为750mm/s-3500mm/s，激光器的扫描间距为0.04mm-0.15mm，激光器的条状宽度为4mm-6mm，基板的温度为40℃-70℃；
当保护气体为氩气且铺置的不锈钢球形粉末的层厚为40μm时，激光器的激光功率为80w-375w，激光器的扫描速度为850mm/s-3700mm/s，激光器的扫描间距为0.05mm-0.20mm，激光器的条状宽度为6mm-10mm，基板的温度为50℃-100℃。
3)通过刮刀在基板上预先均匀铺置厚度小于50μm的不锈钢球形粉末，并将多余的不锈钢球形粉末送入回收腔中；
4)构建预制备不锈钢试样的三维模型，将构建的三维模型输入前处理软件如magics进行铺置位置的摆放，再对三维模型进行然后用切片软件如RP-Tools分层处理，将分成处理后的分层数据输入激光扫描路径生成软件如EOS Print中生成打印文件；参见图5所示，设置激光器的扫描路径为67°层错扫描。
5)选区激光熔化3D打印机的激光器根据打印文件扫描预先铺设的不锈钢球形粉末，不锈钢球形粉末在基板上形成平整的第一层不锈钢熔化层；
6)随后基板下降设定高度，再通过刮刀在第一层不锈钢熔化层上重新铺置厚度与基板下降高度相同的不锈钢球形粉末，激光器再次扫描铺设的不锈钢球形粉末，得到平整的第二层不锈钢熔化层。
7)重复步骤6)，直到整个不锈钢熔化层形成所述三维模型以得到成型件，将成型件从基板上切割分离下来。
在一个实施例中，激光器为光纤激光器，激光器的波长为1060nm，激光器的额定功率为400w，激光器的聚焦光斑直径在50μm-100μm，激光器的振镜扫描速度为0-7000mm/s。
在一个实施例中，不锈钢球形粉末的球形度大于等于99％；不锈钢球形粉末的粒径为15μm-55μm，不锈钢球形粉末的粒径分布图参见图4所示。松装密度为4.0g/cm3-5.3g/cm3，流动性为15S-27S，不锈钢球形粉末的成分中元素含量百分比如下：C≤0.08％，Si≤1.0％，Mn≤2.0％，Cr为18.0％～20.0％，Ni为8.0％～12.0％，S≤0.03％，P≤0.035％。
在一个实施例中，不锈钢球形粉末的的为18μm-53μm，松装密度为4.5g/cm3-5.0g/cm3，流动性为18S-25S，不锈钢球形粉末的成分中元素含量百分比如下：C≤0.03％，Si:≤1.0％，Mn：≤2.0％，Cr：18.0％～20.0％，Ni：8.0％～10.5％，S：≤0.03％，P：≤0.035％,N≤0.1％。
在一个实施例中，当预制备不锈钢试样的壁厚小于0.5mm时，刮刀选用毛刷刮刀；当预制备不锈钢试样的壁厚为0.5mm-50mm时，刮刀选用高速钢刮刀；当预制备不锈钢试样的壁厚大于50mm时，刮刀选用陶瓷刮刀。
采用上述304/304L不锈钢的选区激光熔化成型方法，保护气体为氮气且氮气形成的保护气体的层厚为20μm时,SLM技术制备304不锈钢成型件的力学性能与ASTM304钢性能的比较，如下表所示。
ASTM A245 GB 4237-2015 选区激光熔化
抗拉强度/MPa ≥515 ≥515 ≥670
屈服强度/MPa ≥205 ≥205 ≥508
伸长率/％ ≥40 ≥40 ≥45
冲击韧性/J/cm2 - - ≥207
采用上述304/304L不锈钢的选区激光熔化成型方法，保护气体为氮气且氮气形成的保护气体的层厚为20μm时,SLM技术制备304不锈钢成型件的抛光金相图参见图1所示，SLM技术制备304不锈钢成型件的水平面腐蚀金相图参见图2所示，SLM技术制备304不锈钢成型件的侧平面腐蚀金相图参见图3所示。
上述304/304L不锈钢的选区激光熔化成型方法，采用选区激光熔化3D打印机实现预制备不锈钢试样的3D打印成型，选区激光熔化3D打印机采用的选区激光熔化(SelectiveLaser Melting，SLM)能按照三维数据模型直接将金属粉末在激光束的热作用下完全熔化并凝固成型为具有良好冶金结合和较高精度的金属零件，特别适合薄壁、内腔复杂、内流道等传统加工技术难以实现的复杂薄壁精密构件的制造，同时，由于SLM技术特有的高冷却速率，在冷却过程中包含大范围的非平衡凝固现象,使得成型件组织细小致密、成分均匀、性能优异。选区激光熔化(SLM)技术能够有效扩大不锈钢的应用领域，例如高面积体积比的微型反应器、网状结构件、轻量化设计构件成型等传统加工技术无法实现的应用领域。上述304/304L不锈钢的选区激光熔化成型方法具有周期短、材料损耗少、产品性能优良等特点，采用上述方法得到的成型件的力学性能优异明显高于采用现有技术得到的成型件。
上述304/304L不锈钢的选区激光熔化成型方法与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：
1、上述304/304L不锈钢的选区激光熔化成型方法采用SLM技术得到高性能不锈钢的成型件，成型件抗拉强度大于等于678MPa、屈服强度大于等于517MPa、硬度大于等于250HV0.2、延伸率大于等于45％，明显优于现有技术成型的与同成分的不锈钢的成型件(抗拉强度427MPa、屈服强度385MPa、硬度182HV0.2、延伸率38％)。
2、上述304/304L不锈钢的选区激光熔化成型方法，以逐点逐线逐层的方式成型试样，不锈钢粉末在成型室内无相互运动且在液相下均匀反应，不锈钢的成型件晶粒尺寸细小，成分更均匀、无明显的偏析，致密度大于等于99.95％，高于已报道的同成分的不锈钢的成型件(致密度94.63％)。
3、上述304/304L不锈钢的选区激光熔化成型方法得到的不锈钢的成型件，成型件表面粗糙度Rz70-90μm，喷砂后成型件表面粗糙度Rz 20-40μm，抛光后成型件表面粗糙度Rz小于等于1μm。
4、上述304/304L不锈钢的选区激光熔化成型方法，成型过程中产生的熔渣少，减少了粉末的浪费，提高了粉末的利用率，节约了成本。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (7)

1.一种304/304L不锈钢的选区激光熔化成型方法，其特征在于，包括如下步骤：
1)将不锈钢球形粉末装入选区激光熔化3D打印机的供粉腔内；
2)将所述选区激光熔化3D打印机的成型室内的基板调至水平，且所述基板与刮刀的间隙小于0.05mm，向所述成型室内充入保护气体，所述保护气体为氮气或者氩气；
3)通过所述刮刀在所述基板上预先均匀铺置一层铺置厚度的不锈钢球形粉末；当保护气体为氮气且铺置的不锈钢球形粉末的层厚为20μm时，所述激光器的激光功率为50w-350w，所述激光器的扫描速度为600mm/s-3000mm/s，所述激光器的扫描间距为0.03mm-0.1mm，所述激光器的条状宽度为4mm-6mm，所述基板的温度为30℃-60℃；当保护气体为氮气且铺置的不锈钢球形粉末的层厚为40μm时，所述激光器的激光功率为80w-360w，所述激光器的扫描速度为500mm/s-2500mm/s，所述激光器的扫描间距为0.05mm-0.120mm，所述激光器的条状宽度为6mm-10mm，所述基板的温度为60℃-80℃；当保护气体为氩气且铺置的不锈钢球形粉末的层厚为20μm时，所述激光器的激光功率为60w-340w，所述激光器的扫描速度为750mm/s-3500mm/s，所述激光器的扫描间距为0.04mm-0.15mm，所述激光器的条状宽度为4mm-6mm，所述基板的温度为40℃-70℃；当保护气体为氩气且铺置的不锈钢球形粉末的层厚为40μm时，所述激光器的激光功率为80w-375w，所述激光器的扫描速度为850mm/s-3700mm/s，所述激光器的扫描间距为0.05mm-0.20mm，所述激光器的条状宽度为6mm-10mm，所述基板的温度为50℃-100℃；
4)构建预制备不锈钢试样的三维模型，将所述三维模型摆放至铺置位置，再对所述三维模型进行分层处理，将分成处理后的分层数据输入激光扫描路径生成软件中生成打印文件，所述打印文件包含每一层不锈钢球形粉末的铺设厚度、所述激光器对每一层不锈钢球形粉末的扫描路径；
5)所述选区激光熔化3D打印机的激光器根据所述打印文件扫描预先铺置的不锈钢球形粉末，所述不锈钢球形粉末在所述基板上形成第一层不锈钢熔化层；
6)随后所述基板下降设定高度，再通过所述刮刀在所述第一层不锈钢熔化层上重新铺置一层厚度与所述基板下降的设定高度相同的不锈钢球形粉末，所述激光器再次扫描铺设的不锈钢球形粉末，得到第二层不锈钢熔化层；
7)重复步骤6)，直到整个不锈钢熔化层形成所述三维模型，即得到成型件，将所述成型件从所述基板上切割分离。
2.根据权利要求1所述的304/304L不锈钢的选区激光熔化成型方法，其特征在于，当所述保护气体为氮气时，所述保护气体的氧含量不高于1.3％；当所述保护气体为氩气时，所述保护气体的氧含量不高于0.13％。
3.根据权利要求1或2所述的304/304L不锈钢的选区激光熔化成型方法，其特征在于，所述激光器为光纤激光器，所述激光器的波长为1060nm，所述激光器的额定功率为400w，所述激光器的聚焦光斑直径在50μm-100μm，所述激光器的振镜扫描速度为0-7000mm/s。
4.根据权利要求1或2所述的304/304L不锈钢的选区激光熔化成型方法，其特征在于，所述不锈钢球形粉末的球形度大于等于99％；所述304不锈钢球形粉末的粒径为15μm-55μm，松装密度为4.0g/cm3-5.3g/cm3，流动性为15S-27S，所述不锈钢球形粉末的成分中元素含量百分比如下：C≤0.08％，Si≤1.0％，Mn≤2.0％，Cr为18.0％～20.0％，Ni为8.0％～12.0％，S≤0.03％，P≤0.035％。
5.根据权利要求4所述的304/304L不锈钢的选区激光熔化成型方法，其特征在于，所述304L不锈钢球形粉末的粒径为18μm-53μm，松装密度为4.5g/cm3-5.0g/cm3，流动性为18S-25S，所述不锈钢球形粉末的成分中元素含量百分比如下：C≤0.03％，Si:≤1.0％，Mn：≤2.0％，Cr：18.0％～20.0％，Ni：8.0％～10.5％，S：≤0.03％，P：≤0.035％,N≤0.1％。
6.根据权利要求1或2所述的304/304L不锈钢的选区激光熔化成型方法，其特征在于，当预制备不锈钢试样的壁厚小于0.5mm时，所述刮刀选用毛刷刮刀；当预制备不锈钢试样的壁厚为0.5mm-50mm时，所述刮刀选用高速钢刮刀；当预制备不锈钢试样的壁厚大于50mm时，所述刮刀选用陶瓷刮刀。
7.根据权利要求1或2所述的304/304L不锈钢的选区激光熔化成型方法，其特征在于，所述激光器的扫描路径为67°层错扫描。
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Pledgor: Guangzhou xinyanjin Additive Technology Co.,Ltd.

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