选区激光熔化成形316L不锈钢零件的表面形貌研究进展*

许琼琦，张 艺

(1 泉州信息工程学院机械与电气工程学院，福建 泉州 362100；2 漳州职业技术学院石油化工学院，福建 漳州 363000)

316L不锈钢为低碳奥氏体不锈钢，具有良好的成型性、延展性及耐腐蚀等性能，被广泛应用于各大生产制造行业[1-2]。随着高速的工业化生产发展，传统的铸造、锻造和挤压等金属加工工艺在生产结构复杂的316L不锈钢产品上存在加工工序复杂、工期长等问题，并且生产的产品性能难以满足需求。基于预置铺粉的激光选区熔化技术(Selective Laser Melting，SLM)是增材制造中重要的成形方式之一。SLM成形是通过采用合金粉末原料，同时借助计算机辅助设计模型，将原材料通过逐层累加的形式直接加工成所需结构的高效生产技术。SLM成形在小批量的复杂零件定制上有着得天独厚的优势，可以有效的降低生产成本、生产时间和能源损耗[3]。采用SLM成形316L不锈钢复杂零件可以对应解决航天、核能和医学等高精尖领域的复杂件生产[1，4-5]。

零件的质量往往由几何尺寸、表面形貌和机械性能等参数来评定，其中零件的表面形貌对零件的精度、使用寿命有着重要的影响。SLM成形技术是合金粉末逐点、逐线、逐面的成形复杂零件的方式，生产过程中合金粉末经历不断快速的熔化、搭接和冷凝。该成形过程由无数个微小的熔池类似不断的焊接而成，涉及多个物理场耦合，成形过程难以稳定控制。SLM成形方式必将导致零件的面内、层间都会出现不同程度的缺陷，导致在成形平面和垂直生长方向上的表面形貌存在差异，从而影响零件的机械性能，甚至出现零件损坏等情况。SLM成形零件质量受粉末质量、铺粉情况、激光参数及后处理等因素的影响。目前国内外研究者通过大量成形参数的实验研究，以降低SLM成形零件的缺陷，提升零件表面形貌质量为目标，制备高性能零件。

1 SLM成形316L不锈钢零件的表面形貌

零件的表面形貌决定了零件的表面性能，包括润湿性、耐腐蚀性、摩擦性、粘附性等。要表征零件表面形貌，往往需要测定零件的表面轮廓度、粗糙度值、孔隙度值和表面图像等。SLM成形技术由于其成形过程的特殊性，即使宏观表面看起来已经接近传统零件，但由于微观形貌的差异和缺陷，仍然会导致SLM成形的零件表面轮廓粗糙度过大。研究表明，SLM成形的不同材料的零件表面粗糙度值(轮廓算数平均偏差值)大多在10～20 μm之间，无法直接使用，同时过大的粗糙度会导致零件表面出现应力集中，加速表面微裂纹的扩展，降低耐磨性、尺寸精度和公差[6-7]。并且，SLM工艺依赖于粉末的烧结，在成形过程难以达到完全的致密度，容易出现孔洞、空隙、裂纹和表层粉末球化等缺陷，从而降低表面形貌的质量。

1.1 SLM典型的表面形貌

SLM成形零件是先形成单条熔道，然后多条熔道搭接形成面，最后多个面叠加形成所需零件。对于SLM成形零件表面形貌的研究集中在单条熔道、单层铺粉扫描和多层搭接成形的表面形貌的分步研究上。

1.1.1 单条熔道表面形貌

1.1.2 单层扫描表面形貌

单层扫描的表面质量不仅取决于熔池的移动，同时受到扫描间距、扫描策略、铺粉厚度和粉末质量等因素的影响。单层表面形貌变化，主要是受到多熔道的搭接情况影响，如图1所示。理想的单层表面为光滑连续的平面，无明显的熔道搭接痕迹，但往往生成的SLM层内，会出现明显的熔接纹理、空隙和球化等缺陷[13]。熔道之间搭接在层内扫描时，第一层扫描的影响因素还应考虑上基板和熔体的润湿性，同质材料能够更好的完成熔合。单层扫描如果扫描间距过大，会使得熔道和熔道搭接失败，变成独立轨道，无法成面[14]。通过调整参数，可以一定程度的改善搭接不当，重合间隙不佳的现象，但由于熔池、熔道搭接的影响，存在不同程度的缺陷，导致成形表面粗糙度过大，使得生成零件无法直接被使用[8-9]。

图1 熔道搭接示意图

1.1.3 多层成形表面形貌

多层样品的成形过程除受到熔池和层内凝固情况影响外，还会因为层和层之间的堆叠情况受到影响，所以学者们尝试调整层厚和扫描策略的方式以降低应力集中和误差累积。一般来说，SLM成形零件的表面粗糙度由两个主要因素组成，即由连续层产生的纹理和垂直成形方向的外观以及由表层附近的缺陷组成。SLM成形的零件连续表面由于激光烧结，每个熔道逐道搭接产生的纹理，造成的一定的粗糙度[15]；另外由于激光烧结过程的热力场不均匀，熔融金属飞溅、粘附形成的部分熔化的金属粉末和固体驼峰，造成有明显的表层球化及空隙现象，使得表面粗糙度进一步增加[14，16-17]。与单层扫描时考虑的基体润湿性对应，多层扫描不断累积成形，连续表层的粗糙度会受到上一层的影响。在多层铺粉熔合过程，新的合金粉末会覆盖上已经成型的金属层，并且适当的厚度可一定程度弥补上一层的空隙、裂纹等缺陷，降低表面的粗糙度[18]。为了尽量避免层和层之间的熔合和应力场问题，研究者通常会改变层和层直接扫描的旋转角，提升层间的搭接熔合质量。研究表明，沿垂直成形方向层间的搭接熔道间沟壑状形态明显，呈现台阶纹理或波纹形貌[19]。

1.2 表面形貌的影响因素

SLM成形金属表面由于熔池的不断快速熔化、凝固导致凝固纹理出现，并且球化、空隙等影响会导致零件表面粗糙度过大，造成表面质量和整体性能的进一步下降。对表面质量的影响因素可以分为成形前预置处理、成形中激光参数和成形后处理三个部分。(1)成型前的粉末粒径会导致空隙率增多、铺粉质量决定成形件的致密度和预热处理等会降低热力场的不均匀，减少应力集中带来的缺陷；(2)成型过程的激光参数和扫描策略等的优化可以进一步降低缺陷，保证成形零件面上的搭接均匀；(3)由于SLM制备的零件粗糙度无法避免，在成形后可以采用一定的后处理方式，降低表面的粗糙度和缺陷。

2 表面形貌的影响因素研究现状

2.1 成形前预处理影响

为获得SLM成形的高质量零件，需要提高零件成形的致密度以得到连续光滑的表面，并且有必要控制零件表面的缺陷情况，以保证零件的机械性能。

2.1.1 粉末处理

粉末粒度、粉末含氧情况、铺粉质量是零件表面形貌质量的关键影响因素。316L是SLM技术中最常用的一类金属粉末，粉末接近于球形，流动性好，且价格低廉，采用气雾化法制备的粉末颗粒形状比较均匀，综合性能优越，应用广泛。Andre Mussatto等[20]针对3种不同球化程度的316L粉末形貌和扩散参数对粉床融合金属增材制造进行研究，结果表明球形光滑的粉末具有更好的流动性。含有大量细颗粒粉末(<25 μm)由于内聚力影响，具有更高的比能和更好的流速敏感性，且粉末的扩散参数对粉床的质量起到关键的影响，最终影响零件打印质量。成形打印的层厚度选择同样和最大直径的合金粉有关，所以一定程度上来说，控制粉末的粒径，对合金粉末进行筛分处理是保证SLM成形的关键。Spierings A B等[21]研究了粉末粒径对拉伸性能的影响，结果表明粉末粒径分布较细的成形件由于存在空隙比粉末粒径分布较粗的样品要少，故抗拉性更好，并且小的粒径粉末存在可以提升粉层的密度，提高零件的产品质量和致密度。张杰等[18]的研究表明，铺粉厚度的增加会导致沉积层致密度变差且表面起伏增大，通过提高激光能量密度的方式，可改善沉积层与基板的结合情况并减小沉积层上表面的起伏轮廓。针对不同粒径分布的SLM成形零件的质量影响机制，不同粉末区间和成形参数相互作用的探索仍然需要进一步的完善。对于粉层的厚度变化对逐层误差累积造成的表层形貌的影响，目前的研究较少深入探索。

2.1.2 粉末预热

SLM成形所使用的合金粉末如果以室温为起点进行加热，需要耗费一定的激光能量，且会导致熔化的微熔池和临近粉末之间的有着较大的温度梯度。Sochalski-Kolbus L等[22]的研究指出，通过粉末的预热减少了残余应力，提高SLM成形零件的表面质量，Doubenskaia M等[23]的研究也证实了这一点。更有研究表明，预热温度提高到550 ℃可以降低45%以上的表面变形，同时可以提升零件的致密度[24]。但是粉末预热温度过高，会导引发高温氧化，故对316L不锈钢粉末的预热温度区间的探索是有必要的。粉末预热的方式和装置在国内的专利申请上已经是屡见不鲜，且粉末预热往往和基板预热一同进行，以提高零件生产的效率。

2.2 成形过程参数影响

2.2.1 激光参数

为了获得所需的表面形貌，在逐层成形零件时需要保证粉末连续熔化以得到较高的致密度。激光参数对粉末的熔化起到关键作用，在成形过程中激光参数的设置直接影响熔池的面积和深度，决定熔池的成形、凝固。零件成形时的激光功率和扫描速度影响整体的激光输入能量体密度，从而影响表面形貌质量。此外，还需要进一步优化激光束的接触角、接触区和轨迹宽度等参数，以提高成形表面质量。

激光参数影响的研究集中在激光功率和扫描速度等参数上，通过对激光参数的调整可以降低SLM成形316L零件的缺陷，使得成形零件的显微组织发生对应的变化。研究表明，激光功率直接影响能量的输入，激光功率不足的情况下，会导致粉末的熔化不完全，成形的零件表面质量较差[25-26]，而适当提高激光功率的输入可以加速粉末的熔化，从而降低孔隙率，提升零件致密度[27-28]，使得零件表面更光滑，粗糙度较低[29-30]。激光扫描速度则决定了激光在每个粉末上停留的时间，扫描速度的快慢影响熔池的形状，当扫描速度降低，熔池由近似球形转变为细长形。较低的扫描速度，可以提升零件的硬度和强度，但是同时也会导致零件表面的粗糙度过大[19]。随着扫描速度的提升，零件的孔洞等缺陷会增加[29]，而过快的扫描速度会发生粉末的熔化不完全，造成零件成形表面纹理混乱，致密度下降[31]。在SLM成形316L不锈钢过程中，激光参数调整对零件的成形质量起着关键的作用，多数研究者针对多个参数综合进行探索，取得了一定的成果。Antony等[32]利用有限元的方法研究了316L不诱钢在选区激光熔化过程中，激光功率、扫描速度、光斑大小对熔池形貌的影响，研究结果表明不同的参数可以影响熔化层的光滑程度、变形程度及球化现象。Xuehui Chen等[13]研究了不同扫描间距、激光功率和扫描速度等参数对层内熔道表面质量的影响，结果表明，适当的扫描间距可使得熔道之间搭接光滑连续，扫描速度过快会使得激光和金属粉末的交互时间过短，形成的搭接面不连续、粗糙，且提高激光功率或降低扫描速度都有利于形成连续的轨迹。

在控制激光参数的基础上，选用过高能量密度和过低能量密度的激光参数，都会导致较多的孔洞缺陷出现，并且过高的能量输入会导致打印过程出现金属粉末的球化现象，使得表面缺陷增加。为取得致密度高、表面连续的样品，需要对多项激光参数综合考虑，控制激光的能量密度。Ali Eliasu[33]、Coe和Pasebani[34]在中低能量密度(40～100 J/mm3)制备316L的相对密度明显高于高能量密度。然而Hsueh-Chuan Hsu等[35]和Cherry等[28]报道，在100～120 J/mm3下，SLM 316L表现出更高的相对密度。出现这种情况，主要是由于扫描间距、扫描方式的区别所导致，需进一步探索。激光参数对SLM成形零件表面质量的研究很多，但是系统的工艺参数和成形质量之间的影响机制需要进一步的深入探索。

2.2.2 扫描策略

采用不同扫描方式成形的零件，会使得成形零件存在不同的热分布、残余应力及打印变形。而其中残余应力会造成孔洞和空隙等缺陷，严重情况下会使得零件提早开裂失效。通过研究观察可以看到，不同的扫描方式，还会引起不同的熔道搭接效果及不同的层间熔接痕和面。扫描策略的研究主要集中在扫描间距、扫描模式、不同层间的扫描路径旋转角度等。

(1)扫描间距

不同的扫描间距影响成形层间的热分布情况及最终的熔道搭接效果，且研究表明，不同扫描间距的设定和所使用的设备激光束直径及激光能量输入有关，过大的间距会导致合金粉末无法熔合完全产生微裂纹或者空隙，过小的间距会导致部分区域多次重复熔合，产生变形[36]。扫描间距和激光能量的输入之间是有一定关系的，当扫描间距过大时需要更慢的激光扫描速度和更高的功率以帮助合金粉末熔合，减少缺陷的产生，提升表面质量[13]。

(2)扫描模式

SLM成形零件过程的扫描模式有多种，研究者通过扫描时的不同分区域扫描和不同区域内扫描模式的改变来探索温度场分布情况和温度梯度，不合理的扫描模式会带来较大的热应力和残余应力。零件在成形过程，直线扫描路径过长会导致累计的残余应力过大，出现微裂痕和空隙等缺陷，降低表面质量和零件机械性能，严重情况下会产生翘曲变形。采用S形分区扫描方式[37]和螺旋分区方式[38]等能有效降低残余应力值，并改善残余应力分布状态，使整体残余应力分布较均匀，从而提高零件的力学性能，降低变形。采用激光重复扫描，可以缓解成形后的残余应力，以较小的激光能量对凝固的表面进行扫描，可以形成较浅的熔池，对表面粘附合金粉末、空隙和驼峰等进行重熔，从而降低凝固层的表面粗糙度[39-40]，但 Yu W等[41]的研究表明重复扫描会造成垂直的生长面粗糙度增大。

(3)旋转角

所谓旋转角指的是在SLM逐层成形零件的过程中，层和层之间激光扫描的熔道方向转动情况。由于SLM的逐层成形情况，在层间的生长过程中，会使得水平方向和建造方向出现强烈的强烈的织构，研究者通过探索旋转角从0°～90°的改变以避免该现象[42-43]。同时研究表明，改变层间的旋转角可以一定程度缓解零件的残余应力，并且残余应力和表面粗糙度随层旋转角的增加而减小，相对密度和显微硬度与旋转角成正比[44]。

2.3 后期加工工艺影响

采用SLM成形的零件，通过成形前的预处理和成形过程的参数优化，一定程度可以取得粗糙度较低的表面，但仍无法达到传统加工的表面质量。成形后的零件往往需要进一步的后处理，以取得良好的表面形貌，但采用SLM成形的零件往往为结构复杂甚至含有网状等内部特征，无法采用传统的机加工等方式处理。目前通常采用表面机械磨损[6]、电化学抛光和激光抛光[45]等方法通过从表面去除材料来抛光SLM零件。

成形的零件没有复杂的内表面，可以采用表面机械磨损进行后处理，如喷丸、喷砂等。喷丸处理可以明显降低零件的表面粗糙度，缓解零件成形累积的高应力，提高表面的抗疲劳性[46-47]。研究表明，通过喷丸处理的表面区域的晶粒结构被细化，引起应变硬化和残余应力，从而增强了疲劳强度和耐磨性[6]。对于有较多复杂内表面的零件，采用电化学腐蚀可以较快的去除表面粘附的粉末颗粒和凝结的台阶纹理等，可有效降低表面的粗糙度，提升表面质量[47-48]。然而，这些技术会消耗大量的加工时长，工人劳动强度高，且污染严重。激光抛光相对自动化程度较高，污染较少，可以有效的降低材料成型后的表面粗糙度。Chaojiang Li等[15]对SLM制备的SS 316L进行了激光抛光过程的正交实验，采用激光抛光使得表面粗糙度Ra从7.02 μm降低到0.28 μm，同时建立了多物理模型来模拟熔融金属的流动和表面形态的演变，以及冷却阶段的缺陷形成，论证了激光抛光优于传统的喷砂抛光。Metelkova等[49]提出了一种将脉冲激光器和连续波(CW)激光器依次组合在一起的二进制激光束抛光技术。脉冲激光用于去除残留的粉末，连续激光用于重熔零件表面。在水平和倾斜表面上，组合激光工艺不会增加明显的次表面缺陷。Xu等[50]开发了一个三维边界变形模型，通过考虑毛细管力、热毛细管力、材料去除和反冲压力的耦合效应来模拟熔化和转变行为，建立了激光抛光后表面粗糙度的预测模型。

3 结 语

本文重点介绍了SLM成形316L不锈钢零件的成形表面形貌研究现状。由于SLM特殊的成形工艺，其表面形貌容易出现不同程度的纹理和缺陷，导致较大的粗糙度从而影响材料的使用性能。研究者通过探索成形前预处理、成形中激光参数和成形后处理方式的调整优化，取得了一定的成果，但目前的研究仍有部分不足。

(1)粉末的质量控制可以减少成形粉层的空位，粉末热处理可以有效降低成形阶段的温度梯度。通过预处理可减少表面的缺陷和粗糙度，提升零件的致密度、强度，减少成形周期。

(2)激光参数对SLM成形过程的影响因素较多，零件成形的表面质量受到多个因素的综合作用。其中，研究集中在激光功率和扫描速度的影响，并在此基础上探究激光能量密度对成形质量的影响。合理控制激光参数，可提高零件的表面光滑度，减少缺陷生成，同时提升零件致密度和机械性能，但其表面纹理仍然较难达到使用要求，需要进一步的加工处理。

(3)SLM成形后的零件多数为复杂的个性化零件，对其后处理的难度要求较高，通过采用后处理工艺改善表面质量，降低粗糙度，提升零件的疲劳强度和耐磨性。SLM成形零件对于表面粗糙度分为表层凝固后粗糙度和垂直生长方向粗糙度，在采用后处理工艺进行加工的同时，需要考虑成形表面和垂直生长面的质量改善。