CN115383130B - 微米级选区激光熔化成形的316l不锈钢及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种微米级选区激光熔化成形的316L不锈钢及制备方法，属于智能制造技术领域，是采用微米级选区激光熔化技术制成，制备过程中均采用条带扫描加旋转的策略，其中条带宽度为0‑10mm，逐层旋转角度为10‑90°。所述的微米级选区激光熔化技术所采用的工艺条件为：激光功率10‑100W，激光光斑直径为10‑35μm，激光扫描速度为100‑2000mm/s；激光光斑间距为10‑100μm；铺粉层厚为5‑20μm。本发明微米级选区激光熔化采用超细金属粉末和超小光斑直径，实现对不同金属材料的微米级超高精度3D打印，解决了目前选区激光熔化技术打印行业最大的难题—精度低、表面粗糙度高。
Description
技术领域
本发明涉及智能制造技术领域，特别涉及一种微米级选区激光熔化成形的316L不锈钢及其制备方法。
背景技术
金属粉末床选区激光熔化技术（Selective laser melting）可以在不受传统制造技术设计限制情况下，制备具有复杂几何形状的金属零部件，常被应用于航天、能源、通讯等高端制造领域。
316L不锈钢是一种奥氏体不锈钢材料，其成分中含有一定的Cr、Ni元素，与常规的铬-镍奥氏体如304合金相比，具有更好的抗一般腐蚀及点腐蚀、裂隙腐蚀性的特性，具有良好的塑性和耐磨性，被广泛应用于诸多行业中，如航空发动机与飞机结构件、医疗设备与医疗植入物、汽车工业等。
随着不同领域制造行业的不断发展，工程上所需零部件的形状与结构日趋复杂，采用传统的机械加工方法难以满足复杂零部件的制造要求。所以研发新的制造技术已成为如今热点之一。金属粉末床选区激光熔化成形技术是一种可以快速成形金属零部件的增材制造技术，采用此种技术可以实现按照数字模型切片信息进行逐层扫描成形的效果。近年来，随着选区激光熔化技术的发展，对最终成形零部件的效果提出了更高的要求，如更高的成形精度、更低的表面粗糙度已经更加优异的力学性能等指标。所以微米级选区激光熔化技术被成功开发出来，微米级选区激光熔化技术采用更加精细的激光束、粒度更加细小的金属粉末、以及独特的聚焦技术实现精准成形金属零部件的要求。
目前常规选区激光熔化技术所使用的激光光斑直径范围通常为70-120µm、所使用金属粉末的粒度范围为15-53µm、铺粉层厚范围为30-40µm。在这种情况下所成形的零部件最小尺寸为100-200µm，并且成形尺寸误差大，无法实现精密零部件的成形需求。
发明内容
本发明提供一种微米级选区激光熔化成形的316L不锈钢及其制备方法，解决现有的解决了目前选区激光熔化技术打印行业最大的难题—精度低、表面粗糙度高的问题。
为解决上述技术问题，本发明的技术方案为：
一种微米级选区激光熔化成形的316L不锈钢，是采用微米级选区激光熔化技术制成，制备过程中均采用条带扫描加旋转的策略，其中条带宽度为0-10mm，逐层旋转角度为10-90°。
一种微米级选区激光熔化成形的316L不锈钢的制备方法，所述的微米级选区激光熔化技术所采用的工艺条件为：激光功率10-100W，激光光斑直径为10-35μm，激光扫描速度为100-2000mm/s；激光光斑间距为10-100μm；铺粉层厚为5-20μm。
其中，所述的微米级选区激光熔化技术所采用的工艺条件为：激光功率为30-40W，光斑直径为20-25μm，激光扫描速度为800-1200 mm/s；激光光斑间距为30-50 μm；铺粉层厚为5-15μm。
其中，微米级选区激光熔化技术所采用的粉末原材料为采用原子气雾化方法制备的预合金316L粉末，其中粉末粒径分布在5- 45 μm，多数粉末粒径集中在15 μm。
其中，所述预合金316L粉末在使用前要经过80-120℃真空干燥除杂处理5-10h；预合金316L粉末的D90＜20μm，含氧量＜200ppm
其中，所述微米级选区激光熔化技术的工艺条件还包括：成形舱室内需要降氧填充保护气体处理，其中氧含量降低到2000ppm以下，保护气体为氩气或氮气，保护气体压力保持在10-20mbar。
其中，制备过程中选用的基板为316L不锈钢，准备过程中不进行基板加热处理。
其中，所述316L不锈钢在竖直打印生长方向上的微观结构中存在有大量的柱状晶，并呈现出之字形晶界形貌。
其中，所述316L不锈钢的致密度达到99%以上，抗拉强度650Mpa以上，拉伸延伸率在38%以上。
本发明提供的技术方案，与现有技术相比，具有以下有益效果：
本发明微米级选区激光熔化采用超细金属粉末，实现对不同金属材料的微米级超高精度3D打印，解决了目前选区激光熔化技术打印行业最大的难题—精度低、表面粗糙度高。该技术主要特点有：
1、超高精度：针对常规选区激光熔化技术设备无法满足多尺度零部件的成形精度高、结构复杂等要求，本发明实现了超细（5-45μm）金属粉末的均匀铺展，最小层厚可达5μm；同时最小光斑尺寸可达10μm；实现了对熔池尺寸的精确控制，解决了多尺度、高精密零部件难打印的技术难题。
2、高表面光洁度（低粗糙度）：常规选区激光熔化技术的表面光洁度较差，表面粗糙度Rz约为40-100μm，这就需要进一步加工处理才可以进行使用，微米级选区激光熔化的表面粗糙度Rz约为5-10μm、Ra约为3μm，可达到常规机加工表面光洁度的效果，无需后续复杂处理即可进行使用。
3、小角度无支撑打印：常规选区激光熔化技术的成形角度为45°，小于45°的面需要通过添加结构才能实现辅助成形，成形完成后需要进一步去除支撑结构，这样不仅降低了工作效率，还对表面质量与尺寸精度造成了一定的影响。本发明通过铺展超薄的金属粉末厚度和较小的光斑尺寸，实现了小角度（＞10°）特殊结构的无支撑打印成形。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1 316L不锈钢粉末二次电子像与粉末粒径分级图；
图2 制备316L不锈钢所采用的扫描策略示意图；
图3 实施例1制备316L不锈钢的金相；
图4 实施例1制备316L不锈钢拉伸曲线图。
具体实施方式
下面将结合本发明具体实施例，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本实施例构建了长方体形状的三维模型并进行切片处理，并进行参数填充处理，得到的模型参数信心导入到微米级选区激光熔化技术系统设备中。将真空烘干后的316L不锈钢粉末利用铺粉设备均匀铺展在成形基板上。之后向选区激光熔化设备中不断充入惰性保护气体，直至氧含量为2000ppm以下，再循环进行铺粉-激光熔化的动作，直至激光扫描完成最后一层。其中所采用的预合金粉末为标准成分的316L不锈钢粉末，各种元素的原子的原子百分数之和100%。
下述实施例中，微米级选区激光熔化技术所采用的粉末原材料为采用原子气雾化方法制备的预合金316L粉末，其中粉末粒径分布在5-45μm，多数粉末粒径集中在15 μm，预合金316L粉末在使用前要经过80-120℃真空干燥除杂处理5-10 h。预合金316L粉末的D90＜20μm，含氧量＜200ppm。
实施例1：
本实施例提供一种微米级选区激光熔化成形的316L不锈钢，是采用微米级选区激光熔化技术制成，制备过程中均采用条带扫描加旋转的策略，条带宽度为1.5mm，条带间隙为10 μm，激光束与条带角度为90 °，条带旋转角度增量为67 °。
激光光功率为35W，激光光斑直径为20μm，激光扫描速度为1000 mm/s，光斑间距为40μm，铺粉层厚为10μm。
成形舱室内需要降氧填充保护气体处理，其中氧含量降低到2000ppm以下，保护气体为氩气或氮气，保护气体压力保持在15mbar。
制备过程中选用的基板为316L不锈钢，准备过程中不进行基板加热处理。
图1是实施例1微米级选区激光熔化成形技术制备的316L不锈钢粉末SEM二次电子像以及粉体粒度分级；
图2是实施例1微米级选区激光熔化成形技术制备316L所采用的扫描策略示意图；
图3是实施例1电子显微镜下金相成像的气孔照片；
图4是微米级选区激光熔化技术制备316L的室温拉伸曲线。
实施例2：
本实施例提供一种微米级选区激光熔化成形的316L不锈钢，是采用微米级选区激光熔化技术制成，制备过程中均采用条带扫描加旋转的策略，条带宽度为1.5mm，条带间隙为10 μm，激光束与条带角度为90 °，条带旋转角度增量为67 °。
激光光功率为30W，激光光斑直径为22μm，激光扫描速度为800 mm/s，光斑间距为30 μm，铺粉层厚为15μm。
成形舱室内需要降氧填充保护气体处理，其中氧含量降低到2000ppm以下，保护气体为氩气或氮气，保护气体压力保持在15mbar。
制备过程中选用的基板为316L不锈钢，准备过程中不进行基板加热处理。
实施例3：
本实施例提供一种微米级选区激光熔化成形的316L不锈钢，是采用微米级选区激光熔化技术制成，制备过程中均采用条带扫描加旋转的策略，条带宽度为1.5mm，条带间隙为10 μm，激光束与条带角度为90 °，条带旋转角度增量为67 °。
激光光功率为80 W，激光光斑直径为25μm，激光扫描速度为1200 mm/s，光斑间距为50 μm，铺粉层厚为20μm。
成形舱室内需要降氧填充保护气体处理，其中氧含量降低到2000ppm以下，保护气体为氩气或氮气，保护气体压力保持在20mbar。
制备过程中选用的基板为316L不锈钢，准备过程中不进行基板加热处理。
实施例4：
本实施例提供一种微米级选区激光熔化成形的316L不锈钢，是采用微米级选区激光熔化技术制成，制备过程中均采用条带扫描加旋转的策略，条带宽度为1.5mm，条带间隙为10 μm，激光束与条带角度为90 °，条带旋转角度增量为67 °。
激光光功率为40W，激光光斑直径为35μm，激光扫描速度为2000mm/s，光斑间距为10μm，铺粉层厚为5μm。
成形舱室内需要降氧填充保护气体处理，其中氧含量降低到2000ppm以下，保护气体为氩气或氮气，保护气体压力保持在10mbar。
制备过程中选用的基板为316L不锈钢，准备过程中不进行基板加热处理。
实施例5：
本实施例提供一种微米级选区激光熔化成形的316L不锈钢，是采用微米级选区激光熔化技术制成，制备过程中均采用条带扫描加旋转的策略，条带宽度为1.5mm，条带间隙为10 μm，激光束与条带角度为90 °，条带旋转角度增量为67 °。
激光光功率为20W，激光光斑直径为10μm，激光扫描速度为100mm/s，光斑间距为100μm，铺粉层厚为5 μm。
成形舱室内需要降氧填充保护气体处理，其中氧含量降低到2000ppm以下，保护气体为氩气或氮气，保护气体压力保持在15mbar。
制备过程中选用的基板为316L不锈钢，准备过程中不进行基板加热处理。
对比例1：
本对比例提供一种微米级选区激光熔化成形的316L不锈钢，是采用微米级选区激光熔化技术制成，所采用的成形工艺为条带旋转扫描成形，激光光功率为10W，激光光斑直径为20μm，激光扫描速度为150mm/s，光斑间距为40μm，铺粉层厚为35 μm；条带宽度为1.5mm，条带间隙为10 μm，激光束与条带角度为90 °，条带旋转角度增量为67 °。分别对成形316L的成形质量进行光镜观察与力学性能测试。
对比例2：
本对比例提供一种微米级选区激光熔化成形的316L不锈钢，是采用微米级选区激光熔化技术制成，所采用的成形工艺为条带旋转扫描成形，激光光功率为100W，激光光斑直径为25μm，激光扫描速度为2500mm/s，光斑间距为40 μm，铺粉层厚为30 μm；条带宽度为1.5mm，条带间隙为10 μm，激光束与条带角度为90 °，条带旋转角度增量为67 °。分别对成形316L的成形质量进行光镜观察与力学性能测试。
对比例3：
本对比例提供一种微米级选区激光熔化成形的316L不锈钢，是采用微米级选区激光熔化技术制成，所采用的成形工艺为条带旋转扫描成形，激光光功率为90W，激光光斑直径为30μm，激光扫描速度为2200mm/s，光斑间距为40 μm，铺粉层厚为35 μm；条带宽度为1.5mm，条带间隙为10 μm，激光束与条带角度为90 °，条带旋转角度增量为67 °。分别对成形316L的成形质量进行光镜观察与力学性能测试。
上述实施例与对比例成形的316L不锈钢的屈服强度、抗拉强度、延伸率和致密度检测数据如下：
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围。
Claims (5)
1.一种微米级选区激光熔化成形的316L不锈钢，其特征在于是采用微米级选区激光熔化技术制成，制备过程中均采用条带扫描加旋转的策略，其中条带宽度为0-10mm，逐层旋转角度为10-90°激光束与条带角度为90 °；
所述的微米级选区激光熔化技术所采用的工艺条件为：激光功率20-80W，激光光斑直径为10-35μm，激光扫描速度为100-2000mm/s；激光光斑间距为10-100μm；铺粉层厚为5-20μm；
微米级选区激光熔化技术所采用的粉末原材料为采用原子气雾化方法制备的预合金316L粉末，其中粉末粒径分布在5- 45 μm，多数粉末粒径集中在15 μm；
所述预合金316L粉末在使用前要经过80-120℃真空干燥除杂处理5-10h；预合金316L粉末的D90＜20μm，含氧量＜200ppm；
所述微米级选区激光熔化技术的工艺条件还包括：成形舱室内需要降氧填充保护气体处理，其中氧含量降低到2000ppm以下，保护气体为氩气或氮气，保护气体压力保持在10-20mbar。
2.根据权利要求1所述的一种微米级选区激光熔化成形的316L不锈钢的制备方法，其特征在于：所述的微米级选区激光熔化技术所采用的工艺条件为：激光功率为30-40W，光斑直径为20-25μm，激光扫描速度为800-1200 mm/s；激光光斑间距为30-50 μm；铺粉层厚为5-15μm。
3.根据权利要求1所述的一种微米级选区激光熔化成形的316L不锈钢的制备方法，其特征在于：制备过程中选用的基板为316L不锈钢，准备过程中不进行基板加热处理。
4.根据权利要求1所述的一种微米级选区激光熔化成形的316L不锈钢的制备方法，其特征在于：所述316L不锈钢在竖直打印生长方向上的微观结构中存在有大量的柱状晶，并呈现出之字形晶界形。
5.根据权利要求1所述的一种微米级选区激光熔化成形的316L不锈钢的制备方法，其特征在于：所述316L不锈钢的致密度达到99%以上，抗拉强度650Mpa以上，拉伸延伸率在38%以上。
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