SLM-316L不銹鋼的制造工藝有哪些特點？它是如何從金屬中脫穎而出的？

文|小申簡說

編輯|小申簡說

引言

隨著時代的快速發展，人們對金屬材料的性能和應用要求也越來越高，SLM-316L不銹鋼是一種由選擇性激光熔化技術制成的新型金屬材料，由于強度高，可應用于許多重要場景，發展迅速。

然而，由于這種金屬的高強度，加工難度立即增加。人們選擇了哪種加工方法？它有什么優異的性能嗎？

SLM-316L不銹鋼的制備方法

1.選擇激光熔化技術的原理

激光熔化技術的選擇（SLM）是一種以激光束為熱源，在粉末材料表面逐層掃描熔化粉末形成三維實體的快速成形技術。

該技術的基本原理是利用高功率密度激光束局部熔化粉末材料表面，熔化區快速凝固形成固體層，通過移動工作臺逐層疊加新的粉末材料，在其表面熔化，重復工藝，最終形成所需形狀和結構的三維實體。

在SLM過程中，激光束的功率、掃描速度、掃描路徑和掃描間距對產品的外觀和性能有影響。激光功率越高，掃描速度越慢，熔化區域越大，成品表面越光滑。

同時，掃描路徑和間距的選擇對成品的密度和結構有重要影響。合理的掃描路徑和間距可以提高成品的密度，減少氣孔、缺陷和殘余應力。

SLM技術在制備金屬材料方面具有許多優點。可實現高精度、高效率、低污染的成型過程，制備性能優異的材料，適用于制備復雜的幾何形狀和內部結構。

SLM-316L不銹鋼的制備工藝

首先，我們需要準備SLM-316L不銹鋼粉末。粉末的質量對最終產品的質量有很大的影響。我們使用霧法制備粉末，然后通過篩選和精細處理獲得所需粒徑的粉末。

接下來，需要準備3DCAD模型來確定零件的形狀和結構。在選擇性激光熔化設備中，粉末通過噴射到激光束下，粉末通過高能激光束熔化并固化成金屬部件。

在此過程中，所需的形狀和結構可以通過控制激光束的位置和強度，以及噴粉速度和厚度來獲得。

SLM-316L不銹鋼零件的最終成品還需要進行表面處理、熱處理和機械加工，以獲得所需的表面質量、強度和耐腐蝕性。

制備條件對SLM-316L不銹鋼組織結構的影響

在選擇性激光熔化技術中制備SLM-316L不銹鋼時，激光功率、掃描速度、層厚、預熱溫度等制備參數會影響其組織結構的形成。

激光功率和掃描速度是影響沉積區組織結構的主要參數，層厚和預熱溫度是影響母材區組織結構的主要參數。

激光功率和掃描速度的變化會影響沉積區的組織結構。在低激光功率和掃描速度下，沉積區的組織結構呈現出較小的晶粒和較低的孔隙率。

然而，如果激光功率和掃描速度過高，材料中會形成大量的孔隙和缺陷，晶粒尺寸也會變大。在這種情況下，SLM-316L不銹鋼可能密度低，機械性能差。

在制備過程中，過高或過低的預熱溫度會導致組織結構異常。如果預熱溫度過高，母材區域可能過熱熔化，導致材料微組織不規則，缺陷和孔隙大。

如果預熱溫度過低，母材區的組織結構可能過于致密，難以與沉積區形成良好的結合。

SLM-316L不銹鋼的組織結構

1.母材區的組織結構

SLM-316L不銹鋼母材區的組織結構主要由奧氏體和少量鐵素體組成。奧氏體是一種具有良好韌性和可塑性的面心立方體結構的鐵素體。其晶體含有適量的鎳和鉻，能提供優異的耐腐蝕性和抗氧化性。

鐵素體是一種體心立方結構的鐵素體，它含有較高的碳元素，因此硬度較高，但脆性較大，耐腐蝕性不如奧氏體。

在SLM-316L不銹鋼母材區，奧氏體和鐵素體呈現出交錯的帶狀分布，這是因為在鋼的冷卻過程中，溫度梯度會導致奧氏體和鐵素體的不同變化過程，導致帶狀分布的組織結構。

此外，母材區還發現了少量的晶間硬化物和碳化物，有助于SLM-316L不銹鋼的強度和硬度。

需要注意的是，母材區的組織結構在性激光熔化過程中會受到一定程度的影響，特別是在激光熔化過程中，由于母材區有一定的組織結構，加熱冷卻過程中的溫度梯度會導致組織結構的變化和再生，從而對SLM-316L不銹鋼的性能產生一定的影響。

因此，研究SLM-316L不銹鋼母材區的組織結構及其變化規律對優化選擇性激光熔化工藝和提高材料性能具有重要意義。

2.沉積區的組織結構

SLM-316L不銹鋼沉積區是指激光熔化金屬材料的表面層，也是零件的最外層，其組織結構受制備參數和熱處理過程的影響。

在母材熔融池區域，由于激光束的高能密度和快速掃描速度，鋼瞬間熔化并迅速凝固，形成非晶體或極細晶粒的組織結構。這種非晶體或極細晶粒結構沉積區的主要特征之一，母材熔融池區域也有一定數量的二次相。

熔融池沿激光掃描路徑熔化并迅速凝固，形成小顆粒，這些小顆粒有時沿掃描路徑方向分布不均勻，同時由于高溫熱應力和快速冷卻過程，也會導致沉積區域顆粒錯位、屈曲、晶界偏移等缺陷，從而影響其機械性能。

SLM-316L不銹鋼沉積區結構復雜，包括非晶體、極細晶粒、二次相、小晶粒等組織結構。因此，根據不同的應用要求，有必要通過調整制備參數和熱處理過程來優化沉積區的組織結構，以滿足具體的機械性能和應用要求。

SLM-316L不銹鋼組織結構的形成機制

SLM-316L不銹鋼組織結構的形成有很多因素。在制備過程中，激光束的高能密度使粉末在局部區域迅速熔化，然后凝固形成一層新材料，涉及復雜的熱傳輸和固化行為。

而制備條件(如激光功率、掃描速度、層厚等)。)、SLM-316L不銹鋼的組織結構也會因材料粒度和氣氛壓力而發生變化。

激光熔化粉末，形成熔池，溫度高達數千攝氏度。隨著激光束的掃描和移動，熔池中的液體金屬不斷凝固，并與前一層材料交界，形成一個由多個熔池交錯組成的三維實體。

由于快速凝固的速率高于普通制備工藝，晶體生長在凝固過程中幾乎沒有時間，固體組織呈非晶或亞晶形狀，晶粒尺寸小于微米。

激光功率的大小也決定了熔池的溫度和凝固率，從而影響組織結構。較高的掃描速度可以加快熔池的凝固率，使晶粒尺寸更小。

層厚的變化也會影響組織結構。較薄的層厚可以提高橫向傳熱速率，使晶粒尺寸更小，較高的氣壓可以降低熔池的表面張力，從而提高凝固速率，使晶粒尺寸更小。

SLM-316L不銹鋼的力學性能

1.抗拉強度、屈服強度和伸長率的試驗結果

抗拉強度、屈服強度和伸長率是評價材料力學性能的三個重要指標。這些指標可以通過拉伸試驗來測量。拉伸試驗是一種常用的材料力學性能試驗方法。

實驗結果表明，實驗結果表明，SLM-316L不銹鋼的抗拉強度在500-800MPa之間，屈服強度在200-500MPa之間，延伸率在20-500MPa之間％之間。

這種強度和延展性極強，能使他在航空航天、汽車制造和醫療器械中發揮重要作用。

需要注意的是，抗拉強度、屈服強度和延伸率會受到測試條件和方法的影響，測試速度和樣品尺寸可能會影響測試結果。因此，在測試過程中應注意這些因素，并采取適當措施減少測試誤差。

2.硬度和韌性的測試結果

硬度和韌性是衡量金屬材料力學性能的首要任務，這決定了材料受力后產生的變形程度，我們將使用洛氏硬度測試機進行測試。

實驗發現，SLM-316L不銹鋼的硬度值高于傳統的316L不銹鋼，因為選擇性激光熔化技術制備的SLM-316L不銹鋼具有更致密的組織結構，因此其硬度值相對較高。

韌性是指當材料在力下發生塑性變形時，具有抗斷裂的能力。通過拉伸試驗和沖擊試驗可以測試韌性。在試驗過程中，我們發現SLM-316L不銹鋼具有相對較高的韌性，具有良好的延展性和抗撕裂性。

這是因為SLM-316L不銹鋼的晶界和位錯較多，可以吸收材料中的應變能量，從而提高材料的韌性。

硬度和韌性是相互矛盾的指標，很難同時獲得高水平的性能，但SLM-316L不銹鋼的硬度和韌性測試結果相對較好，表明選擇性激光熔化技術在制備過程中提高了兩者的兼容性。

結論

SLM-316L不銹鋼作為一種具有良好機械性能和應用前景的金屬材料，也可以使SLM-316L不銹鋼比傳統的316L不銹鋼具有更致密的組織結構。

其潛力遠不止于此。未來SLM-316L不銹鋼的制備工藝可以簡化，以滿足不同領域對材料性能的要求，促進SLM-316L不銹鋼的應用。

參考文獻：

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