目前，SLM技術(shù)在國外受到高度重視，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，德國著(zhù)名的快速成形設備生產(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(kāi)發(fā)，正準備將SLM推向商品化，德國的MCP公司于2003年制造出了第一臺SLM樣機，英國利物浦大學(xué)也正在與MCP公司合作研究該技術(shù)。在我國，SLM技術(shù)尚處于試驗研究階段。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成形涉及復雜的物理化學(xué)冶金過(guò)程，SLM過(guò)程中金屬粉末在快速移動(dòng)的激光束掃描下，出現迅速熔化與凝固，這個(gè)過(guò)程只有幾毫秒，導致成形過(guò)程產(chǎn)生較大的熱應力，使成形件出現翹曲與開(kāi)裂；同時(shí)，金屬粉末的熔化與凝固過(guò)程也容易出現球化現象，導致成形表面粗糙且不連續。這兩個(gè)因素最終促使成形的金屬零件內部出現孔隙，難以達到近100致密。因此，合理控制SLM成形工藝有利于減少金屬件內部應力集中、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象，主要研究其SLM成形工藝對不銹鋼粉末熔化狀況的影響，旨在摸索出合理的工藝參數，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。

1不銹鋼粉末的選擇性激光熔化成形實(shí)驗1.1不銹鋼粉末不銹鋼作為一種常用工程材料，廣泛應用于金屬零部件制造領(lǐng)域。本實(shí)驗分別選用3種不銹鋼粉末來(lái)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(guò)程實(shí)驗設備為華中科技大學(xué)研制的HRPM-型SLM快速成形系統，主要由光纖激光器、激光光路系統、掃描鏡、工作臺、供粉筒、鋪粉輥和工作缸構成。SLM成形時(shí)，先在工作臺面上鋪一層粉末材料，然后，激光束在計算機的控制下，按照截面輪廓的信息，對制件實(shí)心部分所在的粉末進(jìn)行掃描，使粉末的溫度超過(guò)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?chē)慈刍姆勰?，即可得到所需要的零件模具?/p>

1.3不銹鋼成形件的檢測對激光單道掃描線(xiàn)采用光學(xué)顯微鏡觀(guān)察。不銹鋼SLM成形件的致密度測試采用排水法測量（測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(guò)預磨與拋光后，使用王水進(jìn)行腐蝕，腐蝕時(shí)間約為40s.表面形貌與內部的顯微組織采用Quanta200（FEI）型環(huán)境掃描電鏡（ESEM）進(jìn)行觀(guān)察。

2結果與討論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證SLM工藝是否滿(mǎn)足成形的要求，并確定工藝參數對熔池寬度的影響規律，驗證不銹鋼粉末的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，其特征有連續直線(xiàn)形、非連續（斷續）直線(xiàn)形、波紋形。若軌跡呈連續直線(xiàn)形，說(shuō)明SLM成形過(guò)程較為穩定；若軌跡呈非（斷續）直線(xiàn)形和波紋形，說(shuō)明SLM成形過(guò)程不穩定。SLM成形軌跡形貌及表面質(zhì)量受不規則顆粒的影響，這主要是因為液態(tài)金屬表面張力作用吸附其周?chē)勰┧?；另外，掃描軌跡周?chē)嬖谏倭拷饘偾?，這主要是因為水霧化制備的粉末氧含量相對較高，增大了液態(tài)金屬的潤濕角，導致產(chǎn)生了金屬球；同時(shí)液態(tài)金屬與其周?chē)嬖跍囟忍荻?，產(chǎn)生表面張力梯度及馬蘭各尼（Marangoni）對流，使金屬表面產(chǎn)生波動(dòng)的幅度較大，導致其不穩定。

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。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，其特征主要表現為連續直線(xiàn)形。在較寬的掃描速度范圍內，水霧化316L不銹鋼粉末的單道掃描成形軌跡表面及其周?chē)嬖谇蛐谓饘?，這表明成形過(guò)程中液態(tài)金屬斷裂成小體積液體，通過(guò)減小系統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(guò)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，其特征主要是連續直線(xiàn)形，未出現非連續（斷續）、直線(xiàn)形、波紋形、球形。其成形軌跡寬度受掃描速度影響規律為：當掃描速度較低時(shí)，單道成形軌跡較寬；當掃描速度較高時(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未出現斷續，表明成形過(guò)程穩定性好。

為單道掃描成形軌跡與工藝參數之間的關(guān)系。其變化規律為：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），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成形件的相對致密度與激光能量密度之間的關(guān)系如所示。

對實(shí)驗數據進(jìn)行擬合，可得出-250目水霧化304L不銹鋼粉末SLM成形件的相對致密度與激光能量密度滿(mǎn)足式：=85.785-24.384exp（-93.555）（2）-500目水霧化316L不銹鋼粉末SLM成形件的相對致密度與激光能量密度之間的關(guān)系如b所示，對數據擬合，可得出SLM成形件的相對致密度與激光能量密度滿(mǎn)足式：=94.341-28.862exp（-224.277）（3）-800目氣霧化316L不銹鋼粉末SLM成形件的相對致密度與激光能量密度之間的關(guān)系如c所示。同理，對數據擬合，可得出SLM成形件的相對致密度與激光能量密度滿(mǎn)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。

綜上所述，可看出粉末特性對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。這是因為，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)金屬與前一層的潤濕性，不易產(chǎn)生球化現象；另一方面-800目的粉末較-500目與-250目粉末具有較細的粒徑，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(guān)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(yú)鱗狀的界面結構，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(guò)程中的加熱過(guò)程要比加熱爐中復雜得多，這是由SLM激光掃描的特點(diǎn)所決定的。

在某一時(shí)間間隔當中，近乎每一個(gè)熔化單元在凝固過(guò)程中都經(jīng)歷了一個(gè)不同的溫度降低的過(guò)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(zhù)3種方式散失。首先，熱量會(huì )通過(guò)對流的方式向空氣中散發(fā)；其次，熱量會(huì )通過(guò)傳導的方式向熔化單元周?chē)缮⒎勰﹤鬟f；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(lái)的松散粉末的溫度也隨著(zhù)加熱歷程產(chǎn)生變化。因此，熔化單元由于溫度變化的復雜凝固過(guò)程就是造成其室溫組織復雜多樣性的原因。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，這些區域存在著(zhù)幾類(lèi)不同的組織，這些組織是不均勻，且具有柱狀結構和蜂窩狀結構。從中還可看出，這些組織均非常細小，這是由于快速凝固的液體金屬在短時(shí)間內大量形成晶核，具有較大的過(guò)冷度，但晶核形成后來(lái)不及長(cháng)大就迅速凝固了，形成了晶粒細小組織。

3結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(xiàn)不連續，球化現象嚴重，其原因是水霧化制備的粉末含氧量較高，成形過(guò)程中潤濕性較差。而-800目氣霧316L不銹鋼粉末的單道掃描成形軌跡較為連續，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(mǎn)足指數關(guān)系：=m-Aexp（-K）。與單道掃描實(shí)驗類(lèi)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。這是因為該種粉末具有較低的氧含量，成形過(guò)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(guò)程的致密化。

（3）顯微照片顯示SLM成形件的微觀(guān)組織非常細小且不均勻的，具有柱狀結構、珠光體形狀和蜂窩狀的結構。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。