李昂等：金属增材制造技术的关键因素及发展方向 ·165· 表5不同技术制备的nconel718的典型性能对比 Table 5 Comparison of typical mechanical properties of Inconel 718 fabricated by different technologies 技术名称 屈服强度/MPa 抗拉强度/MPa 延伸率/% 参考文献 激光选区熔化 590~903 845~1142 4.5-11 [88-89] 激光工程化净成形 525~1105 827~1103 4~29 [88,90-91] 铸造 758 862 22 [88] 件的185MPa,低于锻件的476MPa,其延伸率为6% 究.由于钢铁材料的主要元素铁较易被氧化并且碳 ~7%,低于铸件的12%和锻件的10%[2，].7075 元素的存在也会对成形过程产生不利影响，因此目 铝合金由于含有挥发性元素Z,当局部温度较高 前钢铁材料产品还无法达到完全致密9%).在金属 时，成形件中容易出现孔洞和裂纹缺陷，因此在激光 增材制造技术中应用较多的钢铁材料主要为不锈钢 选区熔化技术中研究较少，目前主要在微滴喷射技 和模具钢.其中，316L不锈钢碳含量低、具有良好 术中得到了研究，其典型组织是底部为无明显方向 的耐蚀性，研究较为广泛，目前主要应用于激光选区 取向的粗大晶粒，中部为定向生长的微小枝晶组织， 熔化技术和金属电弧增材制造技术. 顶部为粗大的非定向枝晶[5] 激光选区熔化技术制备的316L不锈钢的典型 组织为跨越熔池生长的细长的奥氏体柱状晶结 横向(TD) 构7-】.金属电弧增材制造技术制备的316L不锈 钢的组织则为粗大的奥氏体柱状晶结构，如图9所 7乳向RD) 示[].两种金属增材制造技术制备的316L不锈钢 的典型性能如表6所示 4金属增材制造工艺研究现状 扫描方向 4.1金属增材制造工艺参数 打印方向 对金属增材制造工艺，特别是工艺参数进行合 50 um 理的控制是体现金属增材制造设备及材料价值的重 001 101 要保障.金属增材制造工艺参数既包含层厚、扫描 图8激光选区熔化技术制备的ASi10Mg典型组织[] 间距、扫描方式等扫描策略，又包含扫描速度、热源 Fig.8 Typical microstructures of AlSil0Mg fabricated by selective laser melting() 功率、基板预热温度、金属熔体温度、微滴沉积频率 等成形参数.针对不同的金属增材制造技术，其典 3.5钢铁材料研究现状 型工艺参数也有较大的不同，如表7所示. 钢铁材料具有粉材生产成本低廉，应用范围广 金属增材制造工艺参数对于成形过程中的传质 泛等特点，在金属增材制造技术中得到了大量的研 和传热过程具有较大影响，从而显著影响产品的残 b 500um 50m 图9金属电弧增材制造技术制备的316L不锈钢的典型组织[].(a)XOZ截面低倍金相组织：(b)XOZ截面高倍金相组织 Fig.9 Typical microstructures of the 316L stainless steel processed by are additive manufacturing]:(a)low magnification photograph of oZsee tion;(b)high magnification photograph of X0Z section李 昂等: 金属增材制造技术的关键因素及发展方向 表 5 不同技术制备的 Inconel 718 的典型性能对比 Table 5 Comparison of typical mechanical properties of Inconel 718 fabricated by different technologies 技术名称 屈服强度/ MPa 抗拉强度/ MPa 延伸率/ % 参考文献 激光选区熔化 590 ~ 903 845 ~ 1142 4郾 5 ~ 11 [88鄄鄄89] 激光工程化净成形 525 ~ 1105 827 ~ 1103 4 ~ 29 [88, 90鄄鄄91] 铸造 758 862 22 [88] 件的 185 MPa,低于锻件的 476 MPa,其延伸率为 6% ~ 7% ,低于铸件的 12% 和锻件的 10% [92,94] . 7075 铝合金由于含有挥发性元素 Zn,当局部温度较高 时,成形件中容易出现孔洞和裂纹缺陷,因此在激光 选区熔化技术中研究较少,目前主要在微滴喷射技 术中得到了研究,其典型组织是底部为无明显方向 取向的粗大晶粒,中部为定向生长的微小枝晶组织, 顶部为粗大的非定向枝晶[95] . 图 8 激光选区熔化技术制备的 AlSi10Mg 典型组织[93] Fig. 8 Typical microstructures of AlSi10Mg fabricated by selective laser melting [93] 图 9 金属电弧增材制造技术制备的 316L 不锈钢的典型组织[99] 郾 (a) XOZ 截面低倍金相组织; (b) XOZ 截面高倍金相组织 Fig. 9 Typical microstructures of the 316L stainless steel processed by arc additive manufacturing [99] : (a) low magnification photograph of XOZ sec鄄 tion; (b) high magnification photograph of XOZ section 3郾 5 钢铁材料研究现状 钢铁材料具有粉材生产成本低廉,应用范围广 泛等特点,在金属增材制造技术中得到了大量的研 究. 由于钢铁材料的主要元素铁较易被氧化并且碳 元素的存在也会对成形过程产生不利影响,因此目 前钢铁材料产品还无法达到完全致密[96] . 在金属 增材制造技术中应用较多的钢铁材料主要为不锈钢 和模具钢. 其中,316L 不锈钢碳含量低、具有良好 的耐蚀性,研究较为广泛,目前主要应用于激光选区 熔化技术和金属电弧增材制造技术. 激光选区熔化技术制备的 316L 不锈钢的典型 组织为跨越熔池生长的细长的奥氏体柱状晶结 构[97鄄鄄98] . 金属电弧增材制造技术制备的 316L 不锈 钢的组织则为粗大的奥氏体柱状晶结构,如图 9 所 示[99] . 两种金属增材制造技术制备的 316L 不锈钢 的典型性能如表 6 所示. 4 金属增材制造工艺研究现状 4郾 1 金属增材制造工艺参数 对金属增材制造工艺,特别是工艺参数进行合 理的控制是体现金属增材制造设备及材料价值的重 要保障. 金属增材制造工艺参数既包含层厚、扫描 间距、扫描方式等扫描策略,又包含扫描速度、热源 功率、基板预热温度、金属熔体温度、微滴沉积频率 等成形参数. 针对不同的金属增材制造技术,其典 型工艺参数也有较大的不同,如表 7 所示. 金属增材制造工艺参数对于成形过程中的传质 和传热过程具有较大影响,从而显著影响产品的残 ·165·