增材制造(3D打印)技術屬于快速成型生產技術，在對工件進行數字模型構建的基礎上，采用3D打印設備將樹脂或塑料進行熔融、燒結等，再通過逐層成型來完成精密成型制造。該技術具有定制化的特點，廣泛應用于航空航天、軍事機械、人造骨骼、土木工程模具、飾品生產等領域。其中，選擇性激光融化技術(SLM技術)是利用金屬粉末在高能激光束熱源的作用下完全熔化，經散熱凝固后與基體金屬冶金焊合，再逐層累積成型的一種金屬3D打印技術，目前已成為金屬精密成型領域重要的前沿技術之一。

     304不銹鋼和316L不銹鋼是低碳奧氏體不銹鋼，具有較好的力學加工和耐腐蝕性能，廣泛用于汽車配件、醫療器械、建筑材料等領域。在這些領域中，隨著工藝化定制需求的日益增長，關于不銹鋼3D打印技術的研究需求也在不斷增加。來自蘭州資源環境職業技術大學和天津鋼鐵集團有限公司的張龍、劉瑩、路遄三位研究人員采用金屬3D打印設備，用SLM技術對304不銹鋼和316L不銹鋼進行快速成型，分析其成型組織的性能特點，為優化不銹鋼的SLM工藝奠定了基礎。

1 試驗材料及試驗方法

1.1 試驗材料的制備

     試驗材料為304不銹鋼和316L不銹鋼粉末，粒徑為15μm~53μm，采用金屬3D打印設備，得到規格(直徑×長度)為10mm×15mm的圓柱。激光功率為275W，掃描速度為1000mm/s，層厚為0.05mm，掃描間距為0.08mm。

1.2 試驗方法

     將304不銹鋼及316L不銹鋼材料3D打印試樣沿著垂直于打印方向(橫向)及打印方向(縱向)進行切割，用美國標樂制樣設備進行加工和磨拋后，用氯化鐵-鹽酸溶液對試樣進行腐蝕。使用光學顯微鏡對試樣進行金相檢驗，用掃描電子顯微鏡對試樣進行分析，同時利用能譜儀對試樣微區進行分析，觀察區域成分的均勻性。

2 試驗結果

2.1 金相檢驗結果

     利用光學顯微鏡觀察經過磨拋的試樣，發現橫向試樣上局部存在孔洞和微裂紋，孔洞和微裂紋分布不均勻。304不銹鋼材料3D打印試樣的孔洞和裂紋較多，裂紋多為沿晶裂紋，缺陷沒有明顯的分布規律；316L不銹鋼材料3D打印試樣的橫截面幾乎沒有明顯裂紋，孔洞較少且形狀較為圓潤，局部位置有成排分布的趨勢，如圖1所示。

     用光學顯微鏡觀察腐蝕后的不銹鋼材料3D打印試樣，304不銹鋼材料3D打印橫向試樣的組織呈現橫縱交錯的編織狀結構，局部呈現花紋結構，將花紋結構放大觀察，發現了更微觀的編織狀結構，整個截面的編織狀結構不均勻。316L不銹鋼材料3D打印橫向試樣的組織形態與304不銹鋼材料3D打印橫向試樣的結構相似,但316L不銹鋼材料3D打印橫向試樣編織狀結構整體更為均勻，結構更為規則，兩種不銹鋼材料3D打印橫向試樣腐蝕后的微觀形貌如圖2所示。

     用光學顯微鏡觀察腐蝕后的316L不銹鋼材料3D打印縱向試樣，其縱向截面的孔洞和裂紋也較少，組織形態呈現魚鱗狀結構，“鱗片”生長方向為3D打印生長方向的逆方向(見圖3)。

2.2 掃描電子顯微鏡分析結果

      用掃描電子顯微鏡分析304不銹鋼及316L不銹鋼材料橫向試樣，發現兩種材料橫縱交錯纖維結構的微觀形貌相同，都呈現蜂窩狀結構或管型結構，表現出各向異性，316L不銹鋼材料3D打印橫向試樣腐蝕后的微觀形貌如圖4所示。

     采用掃描電子顯微鏡對304不銹鋼和316L不銹鋼兩種材料的3D打印縱向試樣進行分析，發現二者放大后的微觀形貌相同，“鱗片”形態在高倍下呈現蜂窩狀結構，316L不銹鋼材料3D打印縱向試樣腐蝕后的微觀形貌如圖5所示。在同一個微熔池下可以觀察到多個晶粒，而在晶粒中可觀察到多個存在各向異性的亞晶胞。由于其各向異性，有些亞晶胞在截面上呈現近等軸狀的胞狀結構，有些亞晶胞則呈現類豆莢狀的柱狀結構。

     利用能譜儀對316L不銹鋼材料3D 打印橫向試樣的微區進行分析，發現試樣的成分基本均勻，無局部元素偏聚及二次相析出，其能譜分析結果如圖6所示。

2.3 硬度測試結果

     用布氏硬度計對304不銹鋼和316L不銹鋼材料3D打印試樣分別進行宏觀硬度測量，結果如表1所示。304不銹鋼材料3D打印試樣比316L不銹鋼材料3D打印試樣的硬度低，但均在標準范圍內。

表1 兩種材料3D打印試樣的硬度測試結果

2.4 力學性能測試結果

      對316L不銹鋼材料3D打印試樣和普通316L不銹鋼試樣分別進行拉伸試驗，結果如表2所示，由表2可知，用3D打印技術制備的316L不銹鋼材料試樣的力學性能比普通316L不銹鋼材料試樣的屈服強度和抗拉強度都大，伸長率也有所增大。

表2 316L不銹鋼材料3D打印試樣與其普通試樣的力學性能

3 綜合分析

     不銹鋼材料3D打印橫向試樣編織狀的層疊形貌明顯，許多位置的編織狀纖維部分形貌光滑、結構連貫、形態均勻。原材料顆粒在逐層快速高溫熔融后的快速冷卻堆積過程中，后沉積層在高溫沉積時放出的熱量傳遞給前沉積層，這種反復微區熱處理必然會對前沉積層產生影響，而出現工件不同區域的組織不均。

     縱向試樣上的魚鱗狀結構特點說明大量金屬顆粒經過激光轟擊熔化后，處在短暫熔融期的金屬小液滴在重力作用下有向下滴落的運動趨勢，其迅速凝固后，保留了這一特點，所以每一熔積層結構的下端會有近圓形的形貌呈現出來，凝固后的縱向試樣存在明顯的各向異性，最終形成了類似魚鱗狀的形態。

     在相同工藝下，316L不銹鋼材料3D打印試樣明顯比304不銹鋼材料3D打印試樣的致密性更好，缺陷和孔洞更少，均勻性更佳，同時也說明316L不銹鋼材料3D打印試樣不同位置的硬度較為均勻。這是因為添加的鉬元素使其淬透性更強，有利于3D打印過程中快速成型，且具有回火穩定性，對于鋼的延展性和耐磨性具有正向作用，可提高鋼的熱強度。最終成型的316L不銹鋼材料3D打印試樣的綜合性能優于304不銹鋼材料3D打印試樣。

4 結語

     (1) SLM 打印技術可得到結構致密且均勻、力學性能良好的定制化材料，該工藝制得的材料具有較好的軸向均勻性，同時存在生長方向的各向異性。

     (2) 304不銹鋼和316L不銹鋼在相同的3D打印工藝下，316L不銹鋼材料試樣的組織結構更為均勻，缺陷更少，硬度略高，其綜合性能更優。

     (3) 不同不銹鋼材料需要選取不同的3D打印工藝，上述工藝較適合316L不銹鋼材料。