文丨胖仔研究社

编辑丨胖仔研究社

前言

激光选区熔化（SLM）是一种能够直接制造高质量金属部件的先进制造技术，其具有良好的力学性能和综合机械性能，在航空航天、汽车、医疗等领域得到了广泛的应用。

由于SLM成形过程中存在诸多缺陷，如气孔、夹杂、裂纹、组织粗大等，这些缺陷不仅会降低金属件的强度和韧性，还会影响其疲劳性能。

在SLM成形过程中，由于各道次的SLM成形过程中材料存在变形不均匀性，熔池温度不均匀性和冷却速度不同，材料内部产生较多气孔和夹杂等缺陷。这些缺陷会降低金属件的疲劳性能，并且随着缺陷数量的增加，疲劳裂纹扩展速率变大。

激光选区熔化技术及不锈钢L材料

激光选区熔化技术是基于粉末床熔化原理，利用激光束照射粉末床，使粉末中的液态金属凝固形成金属粉堆积成形目标零件的一种成形工艺。与传统金属成形工艺相比，SLM技术具有设备简单、操作灵活、打印质量好、设备及材料成本低等特点，适合制造形状复杂的零件。

SLM技术主要应用于航天航空领域。在航空航天领域中，SLM技术可以用于制造钛合金发动机和航空发动机关键零件，如涡轮盘、涡轮叶片、风扇叶片等，但传统的材料成形工艺很难满足零件复杂结构的制造需求。采用激光选区熔化技术可以实现复杂结构零件的快速制造。

L是一种在美国和欧洲广泛使用的不锈钢材料，它具有较低的热膨胀系数和良好的抗腐蚀性。目前，L主要用于制造航空航天领域中的重要结构件，如涡轮盘、叶片、发动机内部复杂部件等。

然而，L在加工过程中可能会出现气孔、裂纹、疏松等缺陷，从而影响零件的使用性能和使用寿命。

近年来，国内外学者在L材料中发现了大量的缺陷类型[1-6]。其中较常见的缺陷类型有：气孔、裂纹、疏松、疏松等。在不锈钢L中发现有气孔和裂纹是由于其固溶过程中形成了大量细小的碳化物和非金属杂质相导致的。

这些碳化物和非金属杂质相在随后的加工过程中会逐渐长大并形成裂纹。另外，由于激光选区熔化技术是在高能量密度条件下进行成形，其表面质量较差也会导致材料出现裂纹。

此外，对于激光选区熔化过程中的气孔和裂纹问题，已经有很多研究表明，通过控制工艺参数可以有效降低气孔和裂纹缺陷的产生。

通过对激光选区熔化成形的L试样进行了分析，结果表明，降低预热温度、增加扫描速度都可以有效减少气孔和裂纹的产生。对于疏松和疏松缺陷，大多数研究者也发现了它们对L力学性能的影响。

通过对激光选区熔化L试样进行拉伸试验发现，在拉伸过程中，试样的内部存在大量疏松缺陷，导致拉伸强度降低。

通过对L进行SEM和EBSD分析发现，其内部存在大量的枝晶和枝晶间组织。这些枝晶和枝晶间组织都是由于激光选区熔化过程中的热应力作用所导致。

LPBF零件中可能存在的缺陷及影响

L不锈钢中含有大量的Cr、Ni等合金元素，其固溶强化机理主要包括：扩散强化、沉淀强化和晶界析出强化，其中，固溶强化是L不锈钢获得较高硬度的主要原因。

在SLM成形过程中，由于SLM成形过程中金属粉末与其他材料粉末接触后会在SLM成形设备的加热或冷却装置中形成热裂纹、气孔等缺陷，导致金属粉末与其他材料粉末相分离或互相吸收对方的能量而产生的缺陷。

L不锈钢中含有大量的Cr和Ni，这些合金元素在热处理后容易形成碳化物，因此，在SLM成形过程中需要对SLM成形的L不锈钢进行热处理。

目前，SLM成形技术还存在一些缺陷，如：

折叠：由于激光扫描路径不垂直于母材表面，在后续的烧结过程中可能会出现折叠现象；

气孔：在SLM成形过程中由于激光功率较大，零件的温度较高，SLM设备的热循环装置不够完善或冷却速度过快，会造成局部加热或冷却不均匀而产生的气孔；

裂纹：由于激光能量密度大且扫描速度快，在激光选区熔化过程中会产生较多的裂纹，并有可能在后续烧结过程中继续扩展而引起零件开裂；

组织不均：由于SLM成形过程中金属粉末与其他材料粉末接触后会形成热裂纹、气孔等缺陷，SLM成形过程中会出现一些未熔合、未烧结的材料；

其他缺陷：如：机械损伤、热处理缺陷等。

如果在后续烧结过程中发现零件存在以上缺陷时，需要对SLM成形的L不锈钢进行热处理消除缺陷；

而在SLM成形的L不锈钢中存在气孔、折叠、裂纹等缺陷时，可以通过添加粉末或优化激光功率等措施来消除缺陷，但由于SLM成形技术的限制，其只能对一些小批量、多批次的L不锈钢进行生产。

缺陷对不锈钢L材料疲劳性能的影响

通过对SLM成形的L不锈钢的微观组织和疲劳性能进行研究，发现当使用含有缺陷的SLM零件进行疲劳试验时，存在的缺陷将会严重影响LPBF材料的疲劳性能。

通过对SLM成形的L不锈钢进行了表面喷砂处理，喷砂后的表面呈现出更加光滑和致密，并且L不锈钢表面喷砂后形成了一些缺陷。

对于存在缺陷的SLM成形零件进行疲劳试验，在相同载荷下对样品进行疲劳性能测试，研究不同缺陷对L不锈钢材料疲劳性能的影响。

因此，通过对SLM成形后L不锈钢进行表面喷砂处理，可以有效地降低L不锈钢材料表面存在缺陷时产生的应力集中系数和应变幅，进而提高L不锈钢材料在疲劳加载时的疲劳性能；

由于SLM成形工艺制备的样品具有较高的表面质量和较低的裂纹敏感性，因此使用该工艺制备的L不锈钢材料具有更好的疲劳性能。

在相同载荷下对采用SLM成形工艺制备的L不锈钢材料进行疲劳试验，并利用扫描电镜对不同缺陷样品进行观察。

随着疲劳次数增加，裂纹萌生部位逐渐向表面扩展。在疲劳加载过程中，试样表面存在着大量的裂纹缺陷，并且裂纹尖端有明显的塑性变形现象。

对比未经过表面处理后样品疲劳性能测试结果可知，未进行表面处理样品相比在相同载荷下产生了较大的裂纹萌生区域，并且随着疲劳次数增加裂纹萌生区域不断扩大；

而经过表面处理样品与未进行表面处理样品相比在相同载荷下产生了较小的裂纹萌生区域，并且随着疲劳次数增加裂纹萌生区域不断缩小。

由于表面处理可以有效地降低缺陷对L不锈钢材料疲劳性能的影响，因此可以通过采用不同缺陷样品进行疲劳试验来获得不同缺陷样品对L不锈钢材料疲劳性能影响的规律。

应用前景及发展趋势

L不锈钢的主要优点是耐腐蚀性能好，比目前应用最为广泛的铁素体不锈钢L更耐腐蚀。

激光选区熔化技术是一种全新的三维制造技术，是以粉末为原料，利用高功率密度的激光器直接在金属粉末中逐层熔覆，具有加工速度快、成形精度高、无模具制造、表面质量好等优点。

SLM技术采用扫描与粉末直接熔化工艺，可以实现三维实体零件的直接制造。SLM技术具有节约成本、缩短制造周期、提高产品质量和设计灵活性等优点，已被广泛应用于航空航天、汽车和医疗器械等领域。

随着SLM技术在金属零部件制造领域的应用越来越广泛，对零件的疲劳性能也提出了更高的要求。

SLM技术是以激光作为热源来实现金属材料的三维成形，激光能量密度较高，加热温度较低，使得金属材料中形成了大量缺陷；

激光直接熔化工艺在金属零件制备过程中会产生气孔、裂纹、折叠等缺陷，在成形过程中由于粉末熔化不完全或者粉末流动性差等原因也会产生气孔和裂纹等缺陷。

近年来，利用SLM技术制备出的不锈钢零件表现出了优异的综合性能。例如：在航空航天领域，SLM技术制造出了强度高、耐腐蚀性能优异的发动机零件；

在汽车领域，SLM技术制备出了强度高动机零件；在医疗器械领域，SLM技术制备出了强度高、耐腐蚀性能优异的医疗器械零部件。

近年来，国内外学者通过对SLM技术制备的L不锈钢零件进行疲劳性能研究，并取得了一定的成果。

通过采用SLM技术制备出了L不锈钢的圆柱形零件，该零件由4个平面组成，每个平面由3块板材组成，各平面之间通过一层熔覆层连接。

以SLM技术制备出的L不锈钢为研究对象，通过显微硬度测试和金相观察等手段对其显微组织进行了分析，结果表明：该零件显微组织为单一的奥氏体组织；该零件表面的显微硬度值为HV0.1,显微硬度值较高。

笔者观点

目前，SLM成形技术已在航空航天、医疗等领域广泛应用，其制造的零件也得到了大家的认可。但是，在SLM成形过程中，缺陷一直是研究的重点和热点。在SLM成形过程中，缺陷形成是一个极其复杂的过程，而现有的研究尚处于起步阶段。

为了更好地理解缺陷对SLM成形不锈钢疲劳性能的影响机制，本文以激光选区熔化技术制备的L不锈钢为研究对象，分析了缺陷对SLM成形L不锈钢疲劳性能的影响，探讨了缺陷对疲劳裂纹萌生和扩展的影响机制。

希望能够为今后SLM技术在疲劳领域的应用提供一定参考。

参考文献

1.韩文君：激光选区熔化技术中的裂纹及疲劳性能，《激光加工》，,26(5)：-。

2.吴小英：SLM工艺参数对SLML不锈钢组织与性能的影响及优化方法，《材料工程学报》，,41(4)：-。

3.田刚：激光选区熔化工艺对L不锈钢疲劳性能的影响及机理探讨。《中国金属加工》，(14）：---1-1。

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