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3D打印成型件质量影响因素及工艺参数优化研究

更新时间: 2025-01-03 17:56:22  查看次数: 101    
SLM成型后的标准试件有典型的各向异性,熔池边界容易出现缺陷。经过固溶和时效处理后,熔池边界消失了,缺陷也减少了,这就能提升成型件的力学性能。另外,高温处理会让零件内部的奥氏体增多,大量碳化物溶解在奥氏体中,使成型件的韧性增强。这里采用1050℃固溶30分钟,然后进行时效处理,时效处理时间是24小时,温度为750℃。按照GBT230.1 - 2009金属洛氏硬度试验来检测硬度。HRC标尺加载力值150千克,当硬度小于20HRC时,就换成HRB标尺检测,HRB标尺加载力值为100千克,最后得出试验结果平均值。结果显示,在最佳工艺参数下,SLM制造的316L不锈钢的抗拉强度能达到637.80MPa,断裂伸长率能达到32.10%,洛氏硬度为68.3。相比锻造标准,抗拉强度高了41.73%,断裂后的伸长率比锻造标准低19.75%,洛氏硬度比锻造标准低24.1%。成型试样表面质量很好。从拉伸试件的断口形貌看,316L不锈钢拉伸断后伸长率为32.1%,说明成型件的塑形不错。观察断口形貌能发现其中有大量韧窝,而且韧窝尺寸大、深度深,韧窝是韧性断裂的标志,所以3D打印成型的316L不锈钢材料拉伸断口是韧性断裂。
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SLM工艺里影响成型部件质量的因素,都是裂纹和孔洞等缺陷造成的。在个别拉伸断口的部分位置能看到一些小的孔洞和裂缝,这就是3D打印成型件致密度不足100%的原因之一。在本文试验环境下,造成这些缺陷的原因有很多,主要有以下四种情况:一是成型环境气体可能导致孔洞产生,因为成型过程是在高能激光束照射下逐步完成的,熔池在激光照射下温度急剧升高,熔池表面的熔覆层在高温下会与成型仓内的氧气发生反应,生成氧化物杂质和气孔。要解决这个问题,得断绝成型仓内氧气,让成型环境处于真空或者充满惰性气体。二是气雾化制粉工艺自身的缺陷可能导致3D打印的少量粉体材料微观颗粒形状不规则,呈椭球形状,还会形成卫星球分布状态,粉末颗粒在打印成型仓内层层排列,就会产生铺展缝隙。而且气雾化制粉过程中液滴破碎后包裹介质气体,在后续凝固过程中无法排出,会形成极少量空心粉末,这些空心粉末在3D打印成型件内部可能形成孔洞,这类孔洞的特征多为球形或椭球形。三是工艺参数设置不当也是造成缺陷的重要原因。工艺参数设置是否合理直接影响成型件的力学性能。如果工艺参数设置不合理,会导致成型过程中熔池内外产生过大的温度梯度,冷却后零件内部会遗留残余应力,从而降低成型件的力学性能。所以要减小残余应力,就得适当减小成型参数里的送粉率和扫描速率。送粉和激光扫描过快会使熔池温度极速冷却,导致内部应力过大,产生裂纹。而且每种不同的打印材料,其最合适的工艺参数也不一样,所以关于工艺参数设置问题需要不断探索。四是球化现象也是造成3D打印成型件缺陷的一个重要原因。熔池在高能激光束照射下温度迅速升高,冷却时熔池下部松铺的粉末对熔池没有约束力,熔池迅速冷却收缩成大量相互隔离的球形,这会导致成型件出现孔洞,严重的话会使铺粉时上层与下层粉末颗粒摩擦过大,造成铺粉中止。这种现象在激光扫描速度过快时容易发生,控制合适的扫描速率能减少这种情况。当前对分叉节点建模问题研究比较少,而且分叉节点建模有一定技术难度,有限元计算是研究节点受力性能的主要方法,所以节点建模是关键的一步,接下来会对复杂树状分叉节点的实体建模过程进行详细研究。