摘要：激光選區(qū)熔化技術(shù)是增材制造技術(shù)的一種，該技術(shù)自誕生以來在金屬樣件制備過程中發(fā)揮越來越重要的作用。

但是運用該技術(shù)制備成型件的組織研究尚未明確，本文以GH3625高溫合金為例，研究選區(qū)激光熔化成型件組織特點及拉伸性能。

結(jié)果表明，選區(qū)激光熔化成型件組織主要為胞狀晶，選區(qū)激光熔化微熔池中，晶粒生長方向在同一個區(qū)域中呈現(xiàn)出典型的細小柱狀晶（亞晶）和近似六邊形的胞狀晶。拉伸實驗結(jié)果表明選區(qū)激光熔化成型試樣具有良好的拉伸性能。

關(guān)鍵詞：選區(qū)激光熔化；GH3625；組織分析；力學性能

引言選區(qū)激光熔化（Selective Laser Melting，SLM）是新近發(fā)展起來的一種快速成型技術(shù)。

其原理是利用高能激光束掃描和熔化金屬粉末，在軟件控制下由點到線，再由線到面，最終獲得高密度和良好力學性能的成型件[3,4]。

區(qū)別于傳統(tǒng)減材加工方法，SLM是一種增材制造技術(shù)，其優(yōu)勢在于極大的減少材料的消耗，縮短零件加工周期，且不受零件復雜程度限制，尤其適合復雜結(jié)構(gòu)加工和小批量生產(chǎn)，已經(jīng)開始應(yīng)用于醫(yī)療、航空航天、軍事等領(lǐng)域[5-8]。

由于成型件的微觀結(jié)構(gòu)取決于結(jié)晶方式，因此研究激光熔化后金屬的微觀結(jié)晶方式對于提升打印零件性能具有重要作用。

由于GH3625高溫合金具有優(yōu)良的耐腐蝕和抗氧化性能，從低溫到980℃均具有良好的拉伸性能和疲勞性能，并且耐鹽霧氣氛下的應(yīng)力腐蝕，可廣泛用于制造航空發(fā)動機零部件、宇航結(jié)構(gòu)部件和化工設(shè)備部件。

因此本文選取GH3625高溫合金粉末為試驗對象，研究了利用SLM技術(shù)制備GH3625試樣的微觀組織及拉伸性能，分析了不同區(qū)域的微觀組織特點及成型機理，為選區(qū)激光熔化技術(shù)在鎳基高溫合金領(lǐng)域的應(yīng)用提供參考。

1實驗方法1.1實驗設(shè)備實驗選用的選區(qū)激光熔化設(shè)備為國內(nèi)某廠家生產(chǎn)的SLM-280設(shè)備，該設(shè)備主要包括成型室、循環(huán)系統(tǒng)、高精度光纖激光器以及成型氣缸和驅(qū)動活塞等關(guān)鍵部件。

該設(shè)備的激光掃描速度可在100-7000mm/s范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，成型尺寸精度為±0.1mm，成型層厚為20-80μm。該系統(tǒng)還包括高速、高精度的掃描電流計單元和高精度的激光功率控制器，以 確保在掃描范圍內(nèi)的激光密度相同。

拉伸實驗采用WDW-100D型電子萬能材料試驗機進行測試。采用德國萊馳公司的多功能激光粒度分析儀進行粉末粒度分析。

采用JSM-6700掃描電子顯微鏡和MX-10金相顯微鏡進行組織結(jié)構(gòu)和拉伸斷口分析。

1.2實驗材料和工藝參數(shù)實驗選用的粉末材料是-200+600目的GH3625高溫合金粉末。

圖1為GH3625合金粉末粒徑分布曲線，其中圖1（a）為粉末粒徑的區(qū)間分布以及累積分布曲線，圖1（b）為粉末粒徑區(qū)間分布的柱狀圖，從中可知，粉末粒徑主要集中分布在15～55um的范圍內(nèi)。實驗通過正交實驗進行工藝參數(shù)優(yōu)化，優(yōu)化后的工藝參數(shù)如表1所示，并采用此工藝參數(shù)制備10×10×10mm測試小方塊進行組織形貌分析。為了研究激光功率對拉伸性能的影響，采用變功率的工藝參數(shù)使拉伸試樣成型，成型參數(shù)如表2所示。

2.結(jié)論與分析

2.1組織分析如圖2a所示為測試塊垂直于激光掃描方向的光鏡照片，從圖中可以觀察到魚鱗狀界面，界面尺寸約在 50～75μm之間，平均約為65μm左右。

形成原因是由于選區(qū)激光熔化所用的激光為高斯光束，激光光斑中心能量密度較高而兩側(cè)能量密度較低，因而在熔化過程中，光斑中心的熔化深度比邊緣的深度要大。如圖2b所示為平行于激光掃描方向的光鏡照片，從圖中可以觀察到熔道交互重疊，形成具有長條狀和橢圓形兩種不同的形貌特征。

分析認為，長條狀熔道是沿激光掃描方向掃描線的縱截面，橢圓狀熔道是由于激光熔化粉末形成不連續(xù)熔道或者由于制樣時拋光面有一定的傾角。

圖3所示為垂直于掃描方向的組織形貌。圖3a、圖3b所示為低倍組織形貌，試樣的顯微組織與鑄造形成典型的等軸晶、柱狀晶和細晶有所不同。

由于激光光斑直徑為0.1mm，所形成的微熔池體積很小，“微熔池”內(nèi)分布著直徑約0.1-1μm范圍的細小柱狀晶（亞晶）。

圖3c為圖3a的高倍微觀組織，從中可以清晰的觀察到熔道橫截面內(nèi)的“微熔池”呈細小的柱狀晶組織，還可以觀察到相鄰的“微熔池”之間柱狀晶的生長具有明顯的外延生長特性。

分析認為，由于激光能量作用在相鄰層之間的熔化區(qū)存在一個較大的正溫度梯度，并且以上一層殘余的細小柱狀晶為形核基底，最終導致貫穿多個熔道，形成外延生長的柱狀晶。圖3d所示為細小柱狀晶生長方向受到散熱方向的影響。

圖4所示為第二類“亞微米長柱狀晶”的組織形貌，圖4a、b為低倍組織形貌，圖4c、d為高倍組織形貌。

從中可以看出，在這類組織中“亞微米長柱狀晶”一部分呈條狀分布，另外一部分呈類胞晶結(jié)構(gòu)；并且此部分的類胞晶結(jié)構(gòu)存在著向亞微米長柱狀晶結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變的趨勢。

分析認為：“微熔池”受激光模式的影響，熔池表面存在著表面張力梯度，在表面張力梯度以及殘留溫度場的作用下熔池內(nèi)發(fā)生了對流，在這個過程中流動的熔池一方面會造成熔池的部分變形，使得熔池向已成型一側(cè)流動；另外一方面對散熱方向造成了一定的改變，使得熱量的散失不僅有垂直向下散熱，同時向相鄰的熔道散熱。進而形成了如圖4d所示的組織結(jié)構(gòu)。

圖5所示為第三類“類胞晶”集中分布的組織形貌，圖5a為低倍組織形貌照片，圖5b為高倍組織形貌照片。

從中可以看出，在這類組織中“亞微米長柱狀晶”基本上都呈“類胞晶結(jié)構(gòu)”分布，并且類胞晶結(jié)構(gòu)的直徑都在亞微米級別，從圖中可以看出“類胞晶結(jié)構(gòu)”隨著區(qū)域的變化形狀也不盡相同，分析認為隨著激光束向前推移時，“微熔池”周圍的溫度受激光照射角度、鋪粉不均等影響，溫度場發(fā)生變化，引起固液界面前沿的溫度梯度發(fā)生變化，散熱的主導方向變成了垂直于拋光面的方向，因此便形成了如圖5b所示的組織形貌。

圖6所示為亞微米長柱狀晶的高倍組織形貌，從圖中可知，晶體生長方向與熱量散失方向平行但方向相反，故在“微熔池”中形成貫穿多個熔道的呈外延生長的亞微米柱狀晶組織，但是由于觀察角度不同，所觀察的組織形貌也不盡相同。若觀察角度垂直于柱狀晶生長方向，則觀察到細小柱狀晶組織；若觀察角度平行于生長方向，則可觀察到呈六邊形的包狀晶組織結(jié)構(gòu)。

綜上所述，GH3625在選區(qū)激光熔化過程中呈典型的胞狀結(jié)晶形貌，“微熔池”內(nèi)部為“亞微米長柱狀晶”（亞晶），由于受鋪粉的不均勻性、激光照射角度不同、溫度積累以及散熱條件變化等綜合因素的影響，其生長方向也在不斷地發(fā)生變化，進而形成了多種不同的位向分布。

2.2拉伸性能分析圖7為選區(qū)激光熔化成型拉伸試樣的應(yīng)力—應(yīng)變曲線，表3為不同拉伸試樣的力學性能指標。

從中可知，三組拉伸試樣的抗拉強度均超過了950MPa，屈服強度超過了740MPa，伸長率超過44%，拉伸性能達到了汽輪機用GH3625材料室溫拉伸性能指標（抗拉強度≥830MPa；屈服強度≥410MPa；伸長率≥30%）[9]。

由此可見，選區(qū)激光熔化GH3625拉伸試樣具有良好的拉伸性能。

2.3 斷口形貌分析由于這三組拉伸試件的屈服強度和抗拉強度區(qū)別較小，拉伸試樣的斷裂形貌幾乎相同。

因此，選擇2號拉伸試樣的斷口進行分析，斷口宏觀照片如圖8a所示，微觀斷口照片如圖8b所示。

從圖8可以看出拉伸試樣斷口崎嶇不平，斷口邊緣存在大量的韌窩與一些垂直狀的斷面。這是因為選區(qū)激光熔化形成的組織為胞狀晶組織，內(nèi)部為亞微米長柱狀晶，由于細小柱狀晶位向各不相同，當柱狀晶的位向與拉伸方向相同或者兩者的夾角較小時，柱狀晶會隨著拉伸力的作用發(fā)生塑性變形，進而形成微孔洞，隨著載荷的不斷增加孔洞也隨之擴大，當孔洞擴大到一定程度，就會發(fā)生斷裂形成韌窩狀的斷裂形貌，如圖8b所示；另一方面細小柱狀晶與拉伸的方向垂直時，細小柱狀晶主要承受剪應(yīng)力作用，并且受力較大時就會出現(xiàn)被剪斷的情況，因此形成了如圖8c所示的垂直狀臺階形貌。綜合可知，GH3625的拉伸斷口韌窩形貌是由于亞微米長柱狀晶發(fā)生塑性變形而形成的一種斷裂形貌，而臺階狀形貌是由于垂直于拉伸方向的亞微米長柱狀晶被剪應(yīng)力剪斷所形成的結(jié)果，GH3625選區(qū)激光熔化拉伸試樣斷裂方式為沿晶塑性斷裂與韌窩韌性斷裂的混合斷裂

3 結(jié)論

（1）采用SLM技術(shù)成型GH3625小方塊的組織形貌為胞狀組織結(jié)構(gòu)，晶粒尺寸變化范圍約為0.1~1μm。

（2）由于激光入射角度的變化、鋪粉均勻性不一致以及熱量的累積和散失方向的變化，使得同一“微熔池”中可以同時出現(xiàn)胞狀組織結(jié)構(gòu)和柱狀組織結(jié)構(gòu)兩種形貌，并且可發(fā)生兩種形貌的相互轉(zhuǎn)變以及晶粒的尺寸的變化。

（3）利用SLM成型GH3625高溫合金拉伸試樣具有良好的拉伸性能，斷裂方式為沿晶塑性

4結(jié)論

研究表明，熱噴涂銅合金涂層在數(shù)小時內(nèi)對細菌和孢子的破壞與銅合金板一樣有效，為減少醫(yī)院環(huán)境中的健康危害提供了可行的方法。

經(jīng)過2小時的暴露于銅合金涂層和暴露7天后的試片均可觀察到枯草芽孢桿菌孢子退化。

表面粗糙度Ra在0.1~3.5μm不影響銅鎳鋅合金的生物活性。

孢子的脫層形成了納米花狀晶體結(jié)構(gòu)。研究表明，雖然納米花在涂層和金屬片的表面形貌不同，但是它們具有相似的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。