L-PBF（激光粉末熔覆）制备的AISI 316L不锈钢的微观结构与力学性能关系：扫描速度和扫描策略的影响

《Materials Science and Engineering: A》：Microstructure-mechanical property relationships in L-PBF produced AISI 316L stainless steel: Effects of scan speed and scanning strategy

本研究探究了激光粉末床熔融（L-PBF）过程中扫描速率（800-1200 mm/s）和扫描策略（条纹/棋盘格）对316L不锈钢微观结构、力学性能及断裂行为的影响。结果表明，低扫描速率下样品孔隙率低、微观结构细化、延展性断裂占比高，而高速扫描导致未熔合、孔隙率增加及脆性断裂。拉伸强度随扫描速率升高而降低，棋盘格策略低速下达736 MPa；三点弯曲测试显示铸件载荷最高（11560 N），高速样品最低（6550 N）。SEM分析证实低速韧性断裂，高速脆性断裂，且棋盘格策略能有效抑制微缺陷。

　　

作者：Ye?im Se?er Kavaso?lu | Halim Kovac?

土耳其埃尔祖鲁姆，阿塔图尔克大学工程学院机械工程系

摘要

激光粉末床熔融（L-PBF）技术能够制造出具有复杂几何形状的金属部件。然而，L-PBF过程中会产生诸如气孔、熔合不良和残余应力等缺陷，这些缺陷会直接影响部件的机械性能。特别是扫描速度和扫描策略通过决定熔池特性、缺陷形成以及微观结构演变来控制所制造部件的机械性能。本研究揭示了扫描速度（800-1200 mm/s）和扫描策略（条纹状和棋盘状）变化对AISI 316L不锈钢微观结构、机械性能和断裂性能的影响。在低扫描速度下，AISI 316L不锈钢的气孔率降低，微观结构更加致密，延性断裂性能得到改善；而提高扫描速度则会促进熔合不完全，导致气孔率增加，并引发以解理为主的脆性断裂。拉伸试验表明，随着扫描速度的增加，材料的极限抗拉强度降低，在低速扫描（736 MPa）下的棋盘状样品的抗拉强度高于高速扫描（443 MPa）下的条纹状样品。同样，三点弯曲强度也随着扫描速度的增加而降低（360 MPa–256 MPa）。在低扫描速度下，材料的拉伸延性较高（83%），但在最高扫描速度下显著下降（11%）。在三点弯曲试验中，铸造样品的最大载荷最高（11560 N），而最高速度L-PBF样品的最大载荷最低（6550 N）。扫描电子显微镜（SEM）图像显示，在低扫描速度下材料发生凹坑状延性断裂；随着扫描速度的提高，断裂方式变为脆性断裂。棋盘状扫描策略通过改善微观结构，减少了微缺陷的出现。

引言

近年来，增材制造（AM）技术在先进材料制造领域受到了广泛关注，尤其是在金属和合金领域，这得益于其卓越的设计能力[1,2]。AM技术，也称为3D打印，最初于20世纪80年代作为快速原型制作的一种低成本方法被引入[3]。与传统制造技术不同，AM技术可以直接从立体光刻（.STL）文件制造零件，无需物理模具或机械加工工具[4]。这一数字化方法使得制造出更轻便、更强且更高效的零件成为可能，从而能够设计和快速原型化满足航空航天、能源、生物医学和汽车行业等领域的工程需求[5,6]。除了制造能力外，AM技术还具备定制微观结构和材料性能的独特优势，为先进材料设计提供了强大的平台。与传统方法相比，AM技术具有更快的制造速度、更高的尺寸精度以及无与伦比的设计灵活性。此外，制造的部件在摩擦学和机械性能方面表现优异，尤其是在硬度、强度和韧性方面[7],[8],[9],[10],[11],[12]。Shin等人[13]和Ahmad等人[14]的研究表明，由于AM技术的较高固化速率和复杂的热循环过程，其材料具有更高的抗拉强度和屈服强度。

AM技术主要包括多种生产方法，如激光粉末床熔融（L-PBF）、激光定向能量沉积（LDED）、电子束熔化（EBM）和线弧增材制造（WAAM）[15],[16],[17]。这些技术由于沉积原理和技术参数的不同，各自具有独特的优势和应用领域。尽管LDED和WAAM方法的沉积速率较高，但由于熔池较大和热量输入较高，其微观结构通常较为粗糙，尺寸精度也较低。EBM虽然也是基于粉末床的技术，但由于加工温度较高和热条件不同，其表面质量和微观结构细腻度也与L-PBF不同；L-PBF（也称为选择性激光熔化，SLM）由于其薄层沉积和较小的熔池尺寸以及更高的尺寸精度，被认为是研究气孔率、密度和微观结构-机械性能关系的理想方法[16]。L-PBF是通过逐层沉积材料并叠加形成最终三维（3D）模型的过程。在L-PBF过程中，使用激光源在保护性气氛下选择性熔化并固化铺层的粉末颗粒来创建最终部件。由于L-PBF的独特制造工艺特点，部件中观察到了多种微观结构特征[18,19]，包括微孔率、熔合不良（LoF）、表面粗糙度、颗粒聚集、不同形态的晶粒（柱状或长条状）、晶粒尺寸以及杂质（如氧、氮或氢）的存在[20]。熔池的大小和形态对这些特性起着关键作用。熔池形态直接受L-PBF参数的影响，这些参数包括层厚、扫描速度、激光功率、扫描策略、扫描范围和粉末颗粒尺寸[21]。许多文献[22],[23],[24],[25]研究了L-PBF参数对材料机械和冶金性能的影响。Mei等人[26]通过选择最佳的激光功率和扫描速度，获得了AlSi10Mg材料的优异机械性能。Huang等人[27]证明，通过控制压力方向可以实现高强度和低热膨胀。基于L-PBF参数的轮廓扫描策略对材料的气孔率、表面粗糙度和尺寸精度有显著影响。Vrána等人[28]发现，将蜿蜒扫描策略改为轮廓扫描策略并调整能量密度可以降低材料表面粗糙度，这归因于熔池稳定性的提高和粉尘效应的抑制。Larimian等人[29]指出，高激光功率和低扫描速度可以提高熔化效果，从而显著提升材料的机械性能。Hsu等人[30]指出，激光功率不足会阻碍316L粉末的完全熔化和冶金结合；而过高的激光功率则会导致气孔和熔池不稳定等负面效果。Hao等人[31]发现，提高L-PBF中的激光功率可以改善316L不锈钢的机械性能，但可能对表面质量产生负面影响。本研究显示，抗拉强度随扫描速度的不同而有显著变化，并找到了与扫描速度相关的最佳值。Ahmadi等人[32]观察到，低扫描速度可以增加能量密度，从而降低气孔率；较大的熔池有助于增强熔池间的结合力，提高机械性能。

L-PBF工艺参数对于控制熔化/固化过程、生产过程中的热历史以及缺陷形成机制至关重要。Singla等人[33]表明，正确选择L-PBF工艺参数可以防止缺陷形成，甚至改善机械性能。不合适的工艺参数选择可能导致熔合不良（LoF）、气孔、表面粗糙度、残余应力以及微观结构不均匀性，这些问题都会影响制造部件的结构完整性。其中，气孔是影响材料承载能力的关键因素，会缩短部件的使用寿命。气孔是影响AM部件机械和结构完整性的最严重缺陷之一，其形成涉及复杂的物理和化学机制，包括熔化不足、熔合不良、气体（来自环境中的氧气或水分）的捕获、粉末质量差或重复使用粉末以及快速固化等。这些因素都会直接影响最终部件的质量。Galarraga等人[34]研究了气孔率与AM样品拉伸性能之间的关系，发现气孔率较低的样品具有更高的抗拉强度。另一项研究指出，激光功率和扫描速度显著影响熔池形态，进而影响部件的气孔率。Luo等人[35]发现，随着能量密度的增加，熔池形态变得不规则，导致球形气孔等缺陷的产生，从而表明抗拉强度很大程度上取决于气孔率。正确选择参数可以使部件具有高机械性能和全密度结构[36]。

文献研究表明，L-PBF工艺参数通过改变熔池形态显著影响表面质量和机械性能。尽管已有大量研究探讨了L-PBF参数对AISI 316L微观结构和机械性能的影响，但同时考虑扫描速度和扫描策略对微观结构、断裂行为及多种机械响应的联合和/或协同效应的研究仍然较少。这一研究空白凸显了针对L-PBF制造的AISI 316L不锈钢进行更全面实验评估的必要性。为此，本研究采用不同的扫描策略（条纹状和棋盘状）和扫描速度（800、1000和1200 mm/s）制备了AISI 316L L-PBF样品，并通过拉伸和三点弯曲试验研究了这些样品的微观结构、机械性能和断口特征。拉伸试验是评估L-PBF合金机械性能的常用方法；然而，尽管在日常工程实践中应用广泛，但在文献中对三点弯曲行为的研究却相对较少。通过这些试验方法，本研究更详细地评估了材料在静态载荷下的机械行为，并深入分析了断裂机制。研究结果不仅阐明了扫描参数对机械性能的影响，还揭示了扫描速度和扫描策略相互作用对微观结构、机械性能和断裂机制的关键影响。这是对L-PBF制造的316L材料中扫描速度和扫描策略相互作用的全面研究，不仅考虑了拉伸行为，还包括弯曲下的断裂行为和机械行为。因此，本研究为优化工艺参数和提高L-PBF部件的机械可靠性提供了新的重要贡献。

样品制备

为了评估静态载荷条件下的机械性能，进行了拉伸和三点弯曲试验。拉伸样品的制备遵循ASTM E8标准（金属材料拉伸试验的标准方法）[37]；三点弯曲样品的制备参考了ASTM E290标准（材料延性弯曲试验的标准方法），并据此进行了三点弯曲试验。

形态和微观结构分析

图4显示了使用L-PBF和铸造方法制造的AISI 316L不锈钢的XRD图谱。所有样品组在（111）、（200）和（220）晶面上的衍射峰位置大约位于43.8°、50.9°和74.8°，与文献中的AISI 316L不锈钢数据一致[48]。结构中存在Ni和Cr元素，形成了高含量的奥氏体相（γ）。在所有样品组中均观察到了奥氏体相。

工艺参数对微观结构和缺陷的影响

图4中的XRD峰位和强度与AISI 316L不锈钢的文献数据[48]一致。在L-PBF样品中，随着扫描速度的增加，δ相的衍射峰强度显著降低。这种现象在棋盘状扫描策略下同样存在。随着扫描速度的提高，能量输入减少，熔池的尺寸和形态也随之变化[60]。

结论

本研究通过激光粉末床熔融（L-PBF）工艺制备的AISI 316L不锈钢的微观结构变异性，探讨了扫描速度和扫描策略对其机械性能和断裂机制的综合影响。为此，在静态载荷条件下对不同扫描参数下的样品进行了拉伸和三点弯曲试验。根据实验结果得出以下结论：

作者贡献声明

Ye?im Se?er Kavaso?lu： 负责撰写、审稿与编辑、方法论设计、实验研究及概念构建。 Halim Kovac?： 负责撰写、审稿与编辑、方法论设计、实验研究及概念构建。

利益冲突声明

作者声明不存在可能影响本文研究的已知财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了阿塔图尔克大学科学研究项目协调部门（项目编号FDK-2022–11443）的财政支持。作者衷心感谢阿塔图尔克大学提供的资金支持。表征研究的技术协助由阿塔图尔克大学东安纳托利亚高科技应用与研究中心（DAYTAM）和埃尔祖鲁姆技术大学高科技应用与研究中心（YüTAM）提供。