目前，SLM技術(shù)在國(guó)外受到高度重視，其中歐洲處于世界領(lǐng)先水平。例如，比利時(shí)的魯汶大學(xué)正在進(jìn)行SLM成形材料和工藝方面的研究，德國(guó)著名的快速成形設(shè)備生產(chǎn)商EOS公司、激光器生產(chǎn)商TRUMPF公司以及Fraunhofer研究所3家聯(lián)合進(jìn)行研究與開發(fā)，正準(zhǔn)備將SLM推向商品化，德國(guó)的MCP公司于2003年制造出了第一臺(tái)SLM樣機(jī)，英國(guó)利物浦大學(xué)也正在與MCP公司合作研究該技術(shù)。在我國(guó)，SLM技術(shù)尚處于試驗(yàn)研究階段。華中科技大學(xué)已于2005年底研發(fā)成功了采用半導(dǎo)體泵浦150WYAG激光器和100W光纖激光器的SLM裝備。

但SLM成形涉及復(fù)雜的物理化學(xué)冶金過程，SLM過程中金屬粉末在快速移動(dòng)的激光束掃描下，出現(xiàn)迅速熔化與凝固，這個(gè)過程只有幾毫秒，導(dǎo)致成形過程產(chǎn)生較大的熱應(yīng)力，使成形件出現(xiàn)翹曲與開裂；同時(shí)，金屬粉末的熔化與凝固過程也容易出現(xiàn)球化現(xiàn)象，導(dǎo)致成形表面粗糙且不連續(xù)。這兩個(gè)因素最終促使成形的金屬零件內(nèi)部出現(xiàn)孔隙，難以達(dá)到近100致密。因此，合理控制SLM成形工藝有利于減少金屬件內(nèi)部應(yīng)力集中、改善金屬粉末熔化狀況和促進(jìn)SLM成形件的致密化。為此，本文以不銹鋼粉末為研究對(duì)象，主要研究其SLM成形工藝對(duì)不銹鋼粉末熔化狀況的影響，旨在摸索出合理的工藝參數(shù)，成形出高性能的不銹鋼金屬零部件，同時(shí)也為其他金屬粉末的SLM成形奠定基礎(chǔ)。

1不銹鋼粉末的選擇性激光熔化成形實(shí)驗(yàn)1.1不銹鋼粉末不銹鋼作為一種常用工程材料，廣泛應(yīng)用于金屬零部件制造領(lǐng)域。本實(shí)驗(yàn)分別選用3種不銹鋼粉末來研究其SLM成形工藝。

1.2不銹鋼粉末的選擇性激光熔化成形過程實(shí)驗(yàn)設(shè)備為華中科技大學(xué)研制的HRPM-型SLM快速成形系統(tǒng)，主要由光纖激光器、激光光路系統(tǒng)、掃描鏡、工作臺(tái)、供粉筒、鋪粉輥和工作缸構(gòu)成。SLM成形時(shí)，先在工作臺(tái)面上鋪一層粉末材料，然后，激光束在計(jì)算機(jī)的控制下，按照截面輪廓的信息，對(duì)制件實(shí)心部分所在的粉末進(jìn)行掃描，使粉末的溫度超過其熔化點(diǎn)，于是粉末完全熔化，得到這一層輪廓。在非熔化區(qū)的粉末仍呈松散狀，作為制件和下一層粉末的支撐。每層熔化成形后，工作臺(tái)下降一定的高度（0.020.10mm），再進(jìn)行下一層的鋪料和熔化，如此循環(huán)，最終形成三維制件。三維制件完成后，清除其周圍未熔化的粉末，即可得到所需要的零件模具。

1.3不銹鋼成形件的檢測(cè)對(duì)激光單道掃描線采用光學(xué)顯微鏡觀察。不銹鋼SLM成形件的致密度測(cè)試采用排水法測(cè)量（測(cè)試件表面涂敷密封材料）。不銹鋼SLM成形件鑲嵌成金相試樣，經(jīng)過預(yù)磨與拋光后，使用王水進(jìn)行腐蝕，腐蝕時(shí)間約為40s.表面形貌與內(nèi)部的顯微組織采用Quanta200（FEI）型環(huán)境掃描電鏡（ESEM）進(jìn)行觀察。

2結(jié)果與討論2.1不銹鋼粉末激光單道掃描軌跡研究不銹鋼粉末的單道掃描可以驗(yàn)證SLM工藝是否滿足成形的要求，并確定工藝參數(shù)對(duì)熔池寬度的影響規(guī)律，驗(yàn)證不銹鋼粉末的SLM成形特征。

-250目水霧化304L不銹鋼粉末單道掃描軌跡如所示，其特征有連續(xù)直線形、非連續(xù)（斷續(xù)）直線形、波紋形。若軌跡呈連續(xù)直線形，說明SLM成形過程較為穩(wěn)定；若軌跡呈非（斷續(xù)）直線形和波紋形，說明SLM成形過程不穩(wěn)定。SLM成形軌跡形貌及表面質(zhì)量受不規(guī)則顆粒的影響，這主要是因?yàn)橐簯B(tài)金屬表面張力作用吸附其周圍粉末所致；另外，掃描軌跡周圍存在少量金屬球，這主要是因?yàn)樗F化制備的粉末氧含量相對(duì)較高，增大了液態(tài)金屬的潤(rùn)濕角，導(dǎo)致產(chǎn)生了金屬球；同時(shí)液態(tài)金屬與其周圍存在溫度梯度，產(chǎn)生表面張力梯度及馬蘭各尼（Marangoni）對(duì)流，使金屬表面產(chǎn)生波動(dòng)的幅度較大，導(dǎo)致其不穩(wěn)定。

在功率98W、不同掃描速度作用下，-250目水霧304L不銹鋼粉末的單道掃描軌跡為了尋求成形性較好的不銹鋼粉末，又選擇了-500目水霧化316L不銹鋼粉末進(jìn)行單道掃描成形實(shí)驗(yàn)。316L不銹鋼粉末與304L不銹鋼粉末成分的主要差別在于：316L中含有Mo，而304L中不含Mo.-500目水霧化316L不銹鋼粉末的單道掃描成形軌跡如所示，其特征主要表現(xiàn)為連續(xù)直線形。在較寬的掃描速度范圍內(nèi)，水霧化316L不銹鋼粉末的單道掃描成形軌跡表面及其周圍存在球形金屬，這表明成形過程中液態(tài)金屬斷裂成小體積液體，通過減小系統(tǒng)表面自由能而形成金屬球；圓柱狀成形軌跡明顯，較低掃描速度柱狀直徑較大，較高掃描速度柱狀直徑較小。

功率98W、不同掃描速度作用下，-500目水霧化316L不銹鋼粉末的單道掃描軌跡單道掃描成形軌跡表明，-250目304L不銹鋼粉末和-500目316L不銹鋼粉末的成形性都不好，其原因是水霧化制備的粉末的含氧量較高，易在成形過程中球化。為此，又研究了-800目氣霧化316L不銹鋼粉末的單道掃描成形軌跡，其特征主要是連續(xù)直線形，未出現(xiàn)非連續(xù)（斷續(xù)）、直線形、波紋形、球形。其成形軌跡寬度受掃描速度影響規(guī)律為：當(dāng)掃描速度較低時(shí)，單道成形軌跡較寬；當(dāng)掃描速度較高時(shí)，單道成形軌跡較窄。

單道成形軌跡在較寬的掃描速度范圍內(nèi)未出現(xiàn)斷續(xù)，表明成形過程穩(wěn)定性好。

為單道掃描成形軌跡與工藝參數(shù)之間的關(guān)系。其變化規(guī)律為：在相同激光功率下，單道掃描成形軌跡寬度隨掃描速度的增加而減??；在相同掃描速度下，較小的激光功率變化對(duì)單道掃描成形軌跡寬度的影響不是很明顯。這與-250目304L不銹鋼粉末和-500目316L不銹鋼粉末單道掃描成形軌跡寬度隨掃描速度的變化相似。

2.2不銹鋼粉末選擇性激光熔化成形件的致密化研究影響SLM成形件致密度的因素較多（激光功率、掃描速度、掃描間距、鋪粉層厚等工藝參數(shù)），可在功率98W、不同掃描速度作用下，-800目氣霧化316L不銹鋼粉末的單道掃描軌跡-800目氣霧化316L不銹鋼粉末激光掃描軌跡寬度與激光功率、掃描速度的關(guān)系將這些因素歸納為一個(gè)變量（激光能密度）。激光能密度為單位體積的激光能量，單位為Jmm3，其表達(dá)式為：=P（vdh）（1）SLM成形件的致密度是成形軌跡平均致密度的累積，與激光能量密度相關(guān)聯(lián)。SLM成形件的相對(duì)致密度與激光能量密度之間的關(guān)系如所示。

對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，可得出-250目水霧化304L不銹鋼粉末SLM成形件的相對(duì)致密度與激光能量密度滿足式：=85.785-24.384exp（-93.555）（2）-500目水霧化316L不銹鋼粉末SLM成形件的相對(duì)致密度與激光能量密度之間的關(guān)系如b所示，對(duì)數(shù)據(jù)擬合，可得出SLM成形件的相對(duì)致密度與激光能量密度滿足式：=94.341-28.862exp（-224.277）（3）-800目氣霧化316L不銹鋼粉末SLM成形件的相對(duì)致密度與激光能量密度之間的關(guān)系如c所示。同理，對(duì)數(shù)據(jù)擬合，可得出SLM成形件的相對(duì)致密度與激光能量密度滿足式：（a）-250目水霧化304L不銹鋼粉末（b）-500目水霧化316L不銹鋼粉末（c）-800目氣霧化316L不銹鋼粉末激光能量密度對(duì)SLM成形件致密度的影響=99.859-11.919exp（-167.533）（4）經(jīng)上述分析，表明不銹鋼粉末SLM成形件的致密度隨激光能量增大而提高，且存在一個(gè)以能量密度為函數(shù)的致密化方程：=m-Aexp（-K）（5）該方程表明了SLM成形件的致密度隨激光能量密度的變化關(guān)系。其中m為最大致密度，A與K為常數(shù)。

綜上所述，可看出粉末特性對(duì)SLM成形件的致密度有較大影響，-800目氣霧化316L不銹鋼粉末較其他兩種粉末具有良好的致密化特性。這是因?yàn)?，一方面氣霧化制備的粉末具有較低的氧含量，有利于液態(tài)金屬與前一層的潤(rùn)濕性，不易產(chǎn)生球化現(xiàn)象；另一方面-800目的粉末較-500目與-250目粉末具有較細(xì)的粒徑，有利于提高金屬粉末的松裝密度，從而促進(jìn)SLM致密化。

2.3不銹鋼粉末選擇性激光熔化成形件的微觀組織形成研究反映的是掃描熔化道的縱截面和橫截面的情況。箭頭表示激光光斑的傳熱方向，由于凝固速度的不同而造成了魚鱗狀的界面結(jié)構(gòu)，且相互重疊；表示熔化道沿激光掃描方向上的分布情況。SLM過程中的加熱過程要比加熱爐中復(fù)雜得多，這是由SLM激光掃描的特點(diǎn)所決定的。

在某一時(shí)間間隔當(dāng)中，近乎每一個(gè)熔化單元在凝固過程中都經(jīng)歷了一個(gè)不同的溫度降低的過程。

反映了熔化單元的換熱情況原理。從中可看出，被熔化單元吸收的激光能量會(huì)沿著3種方式散失。首先，熱量會(huì)通過對(duì)流的方式向空氣中散發(fā)；其次，熱量會(huì)通過傳導(dǎo)的方式向熔化單元周圍松散粉末傳遞；第三，熱量向熔化單元焊接的已凝固部分傳遞。通常，不僅已凝固部分的溫度在變化，而且熔化單元上層的由鋪粉輥鋪來的松散粉末的溫度也隨著加熱歷程產(chǎn)生變化。因此，熔化單元由于溫度變化的復(fù)雜凝固過程就是造成其室溫組織復(fù)雜多樣性的原因。處于熔化界面處的溫度梯度最大，原因是這些界面是金屬固相和液相的交界處。因此，處于焊接界面處的組織變化最為劇烈，所示的顯微照片中可看出，這些區(qū)域存在著幾類不同的組織，這些組織是不均勻，且具有柱狀結(jié)構(gòu)和蜂窩狀結(jié)構(gòu)。從中還可看出，這些組織均非常細(xì)小，這是由于快速凝固的液體金屬在短時(shí)間內(nèi)大量形成晶核，具有較大的過冷度，但晶核形成后來不及長(zhǎng)大就迅速凝固了，形成了晶粒細(xì)小組織。

3結(jié)論本論文研究了不銹鋼粉末的選擇性激光熔化成形工藝，得出了以下主要結(jié)論。

（1）-500目水霧化316L不銹鋼粉末和-250目水霧化304L不銹鋼粉末的單道掃描線不連續(xù)，球化現(xiàn)象嚴(yán)重，其原因是水霧化制備的粉末含氧量較高，成形過程中潤(rùn)濕性較差。而-800目氣霧316L不銹鋼粉末的單道掃描成形軌跡較為連續(xù)，球化減少，顯示出較好的成形性。

（2）高的激光能量密度促進(jìn)SLM成形的致密化，且SLM成形件的致密度與激光能量密度滿足指數(shù)關(guān)系：=m-Aexp（-K）。與單道掃描實(shí)驗(yàn)類似，氣霧化制備的-800目316L不銹鋼粉末比水霧化粉末在SLM成形時(shí)具有較高的致密度。這是因?yàn)樵摲N粉末具有較低的氧含量，成形過程中球化減少，同時(shí)該種金屬粉末的松裝密度較高，有利于SLM過程的致密化。

（3）顯微照片顯示SLM成形件的微觀組織非常細(xì)小且不均勻的，具有柱狀結(jié)構(gòu)、珠光體形狀和蜂窩狀的結(jié)構(gòu)。熔化界面處的溫度梯度最大，原因是這些界面是金屬固相和液相的交界處，處于焊接界面處的組織變化最為劇烈。