0 引 言

选择性激光熔化是20世纪90年代发展起来的一种新技术，该技术可实现金属粉体的直接成形，具有良好的发展前景。选择性激光熔化成形工艺的加工过程[1-2]为：使用三维软件设计零件的三维模型，在分层软件中对该模型进行切片处理，将生成的信息导入到工作台中；根据切片处理生成的信息，使用激光对粉体进行选区扫描，粉体吸收激光能量而熔化，快速黏接在一起，以此逐层堆积，直至成形出零件。

从表6可以看出，与2007年相反，2017年我国生产的资本/劳动比率比消费的资本/劳动比率要高，说明我国资本已成为具有比较优势的要素。进一步比较单位产品所需的资本量和劳动量，2015年生产和消费所需的资本含量都有所下降，但消费所需的资本含量下降较多；2015年生产所需的劳动含量有所下降，而消费所需的劳动含量上升较多，说明我国消费结构发生了较大的改变，对资本密集型产品的需求下降而对劳动密集型产品的需求上升。

铝合金的特点是重量轻、刚度好、强度高、耐腐蚀、平整性好，易于制造复杂形态的表面，因此铝合金在汽车、航空、航天、轮船等工业生产中广泛应用。但是，由于薄壁铝合金部件结构复杂，刚性非常低，切削加工时的切削力容易产生较大的铣削余量，造成较差的加工工艺，导致加工变形或颤振。

316L不锈钢粉中含有一定量的镍(Ni)和铬(Cr)，成形后具有较好的塑性和耐磨性，且可在苛刻工况下使用；316L不锈钢的应用范围广泛，且价格合理，未来发展前景良好；但采用传统工艺进行加工成形时，其工艺要求很高，若零件结构较复杂，则加工工序繁琐、生产周期长、成本高。

近年来，选择性激光熔化(SLM)技术发展较快，国外的相关研究较多。BALC等[3]使用SLM技术对大型零件进行修复；PAUL等[4]研究了激光快速成形工艺对Inconel 625不锈钢力学性能的影响；KEMPEN等[5]探讨了SLM工艺对18Ni-300钢力学性能的影响；YASA等[6]研究了激光重熔对SLM成形316L不锈钢显微组织的影响。而国内有关SLM工艺的研究大多为基础研究，研究内容多集中在激光设备的内部结构组成、应用领域、成形材料制备及性能研究等方面，而对成形过程中工艺参数控制的研究较少。因此，作者以316L不锈钢粉为原料进行SLM成形，研究了激光功率、扫描速度、扫描间距等参数对成形试样相对密度和力学性能的影响，得到了优化工艺参数。

SLM过程中影响成形件力学性能的参数有很多，如激光功率、扫描速度、扫描间距、铺粉厚度、扫描方式以及旋转角度等[7-8]。作者在单因素试验的基础上，选择激光功率(A)、扫描速度(B)和扫描间距(C)作为影响因素，并确定了三个水平，选用L9(34)表进行正交试验，因素水平如表2所示。

1 试样制备与试验方法

1.1 试样制备

试验原料为气雾化法制备的316L不锈钢粉，化学成分见表1，显微组织及粒径分布见图1。由图1可以看出，粉体颗粒基本呈球形，其大小不一，平均粒径为46.37 μm。

 

表1 316L不锈钢粉的化学成分(质量分数)Tab.1 Chemical composition of 316L stainless steel powder (mass) %

  

CrNiMoSiMnCSPFe17.1710.452.220.521.20.0170.0140.031余

  

图1 316L不锈钢粉的微观形貌和粒径分布Fig.1 Micromorphology (a) and particle size distribution (b) of 316L stainless steel powder

试验设备为BLT S300型金属打印机，用刮刀将316L不锈钢粉均匀地铺在基板上，使用波长为1 064 nm光纤激光器对不锈钢粉进行SLM成形，通过逐层铺粉、逐层扫描的方式直接成形出试样，铺粉厚度为0.04 mm，扫描方式选用ZigZag,扫描完一层后，旋转90°扫描。SLM直接成形的拉伸试样尺寸如图2所示，密度测试试样的尺寸为5 mm×5 mm×5 mm。

  

图2 拉伸试样的尺寸Fig.2 Size of tensile sample

爱克发的环保实践，落地于生产运营的每一个细节，而不单单是产品本身，并且大量的工作属于未雨绸缪，这一点尤为令人敬佩。随着我们采访的逐渐深入，感受也越来越深刻。以无锡工厂为例，其是印艺板块在中国唯一的数码印版生产基地，也是爱克发全球6家工厂中最年轻的一家。

 

表2 正交试验的因素和水平Tab.2 Factors and levels for orthogonal test

  

水平激光功率/W扫描速度/(mm·s-1)扫描间距/mm12608600.0923109600.11336010600.13

1.2 试验方法

适当的能量输入密度能使固液润湿性能达到最优，液相中结构颗粒适当重排，实现高质量烧结；当采用较低的扫描速度、较小的扫描间距和相对较高的激光功率进行SLM成形时，产生的液相较多、烧结时间较长，成形试样的相对密度较高[11-12];能量输入密度过大时,液相存在时间过长会产生球化抑制烧结，降低成形试样的相对密度和力学性能。

ρ相

(1)

由表3可以看出：试样的抗拉强度、屈服强度和相对密度均随激光功率或扫描速度的增加先增后降，随扫描间距的增加而增大，各因素对这3个指标的影响由大到小排序均为扫描速度、激光功率、扫描间距，优化参数组合为A2B2C3，即激光功率310 W、扫描速度960 mm·s-1、扫描间距0.13 mm；伸长率随激光功率的增加先降后增，随扫描速度的增加而增大，随扫描间距的增加变化很小，其优化参数组合为A3B3C3，即激光功率360 W、扫描速度1 060 mm·s-1、扫描间距0.13 mm。

当激光功率增大、扫描速度相应减小，即能量输入密度增大时，粉床温度升高，使大量粉体熔化形成适量的液相，并降低了熔体的黏度和表面张力，粉体流动性增强，熔池连续形成，从而使得试样的相对密度和力学性能提高[8-10]。因此，当能量输入密度增至2.48 J·mm-2时，试样的相对密度和拉伸性能均较佳，其抗拉和屈服强度分别为613，320 MPa，伸长率为44.6%，相对密度为99.53%。

2 试验结果与讨论

2.1 工艺参数优化

式中：ρ相为相对密度；ρ为实测密度；ρ标为316L不锈钢粉的理论密度，取7.93 g·cm-3。

综合考虑各项指标后，确定试验的最佳参数组合为激光功率310 W、扫描速度960 mm·s-1、扫描间距0.13 mm。在该工艺参数下对316L不锈钢粉进行SLM成形，测得其成形试样的抗拉强度为613 MPa，屈服强度为320 MPa，伸长率为44.6%，相对密度为99.53%。与其他9组试验结果相比，该组参数SLM成形试样的抗拉强度、屈服强度和相对密度最大，伸长率虽较低，但与最大值相差很小。因此，试验得到的最佳工艺参数合理。

 

表3 正交试验结果Tab.3 Results of orthogonal test

  

试验序号激光功率/W扫描速度/(mm·s-1)扫描间距/mm抗拉强度/MPa屈服强度/MPa伸长率/%相对密度/%12608600.0959230644.398.4522609600.1158629944.998.11326010600.1354227746.895.56431010600.1159731144.098.9953108600.1360631543.899.0363109600.0957229345.197.5773609600.1361232044.699.31836010600.0956328745.696.9493608600.1155028346.196.60Ⅰ1573.33582.67575.67Ⅱ2591.67590.00577.67抗拉强度Ⅲ3575.00567.33586.67因素影响大小:B>A>C;最佳组合:A2B2C3R18.3322.6711.00Ⅰ1294.00301.33295.33Ⅱ2306.33304.00297.67屈服强度Ⅲ3296.67291.67304.00因素影响大小:B>A>C;最佳组合:A2B2C3R12.3312.338.67Ⅰ145.3344.7345.00Ⅱ244.3044.8745.00伸长率Ⅲ345.4345.4745.07因素影响大小:A>B>C;最佳组合:A3B3C3R1.130.730.07Ⅰ197.3798.0397.65Ⅱ298.5398.3397.90相对密度Ⅲ397.6297.1697.97因素影响大小:B>A>C;最佳组合:A2B2C3R1.161.170.31

2.2 微观组织与断口形貌

(1) 成形试样的抗拉强度、屈服强度和相对密度均随激光功率或扫描速度的增加先增后降，随扫描间距的增加而增大；伸长率随激光功率的增加先降后增，随扫描速度的增加而增大，随扫描间距的增加变化很小。

φ=P/(vs)

(2)

式中：P为激光功率；v为扫描速度；s为扫描间距。

由式(2)可见，φ为激光功率、扫描速度和扫描间距的函数，可以作为综合评估这3个因素对成形试样性能影响的参数。

由图3可见：随着能量输入密度的增加，成形试样的相对密度、抗拉强度和屈服强度均先增后降，伸长率则先降后增；当能量输入密度为2.48 J·mm-2时，试样的相对密度、抗拉强度和屈服强度均最大，但伸长率相对较低。

选择在3组工艺参数下成形的试样进行对比：(1) 激光功率310 W、扫描速度960 mm·s-1和扫描间距0.13 mm，即能量输入密度为2.48 J·mm-2；(2) 激光功率360 W、扫描速度860 mm·s-1和扫描间距0.11 mm，即能量输入密度为3.81 J·mm-2；(3) 激光功率260 W、扫描速度1 060 mm·s-1和扫描间距0.13 mm，即能量输入密度为1.89 J·mm-2。

由图4和图5可知：当能量输入密度为2.48 J·mm-2时，成形试样的表面光滑连续，比较平整，孔隙较小，拉伸断口上的韧窝细小均匀，且球化现象较少；当能量输入密度为3.81 J·mm-2时，成形试样表面的孔隙很多，且孔隙尺寸较大，拉伸断口上有球化和开裂现象；当能量输入密度为1.89 J·mm-2，成形试样表面的孔隙同样较多，且拉伸断口上也存在球化现象。

  

图3 能量输入密度对试样相对密度和拉伸性能的影响Fig.3 Effects of energy input density on relative density and tensile properties of the sample: (a) relative density;(b) tensile strength; (c) yield strength and (d) elongation

  

图4 不同能量输入密度下成形试样的表面SEM形貌Fig.4 Surface SEM morphology of formed samples at different energy input densities

  

图5 不同能量输入密度下成形试样的拉伸断口形貌Fig.5 Tensile fracture morphology of formed samples at different energy input densities

综上所述：当激光功率较低时，液相生成不充分，导致粉体流动性差而难以生成烧结表面；扫描速度较高时，液相存在时间较短，同样会导致流动性差而引起烧结体分层和球化，此外粉体吸收的能量也变少，熔池冷却速率加快，导致烧结表面质量较差；当扫描间距较大时，粉体不能充分熔化，相邻烧结轨道不能完全黏接在一起，导致下一层铺粉不均匀。因此，在能量输入密度为1.89 J·mm-2下的成形试样的性能较差，其抗拉强度和屈服强度分别为542，277 MPa，伸长率为46.8%，相对密度为95.56%。

采用WDW-1E型微机控制电子式万能试验机进行拉伸试验，拉伸速度为1 mm·min-1，用JSM-5600LV型低真空扫描电子显微镜观察拉伸断口形貌。

当能量输入密度过高，即激光功率较高、扫描速度和扫描间距较小时，液相生成过多且液相存在时间过长，会引起球化和开裂，造成烧结体收缩变形，并且还会延长成形时间。因此，在能量输入密度为3.81 J·mm-2时，试样的相对密度和拉伸性能较差，其抗拉和屈服强度分别为550，283 MPa，伸长率为46.1%，相对密度为96.60%。

只要你精心设计，用心琢磨，可以把学生的美术知识借到语文教学中来，让美术这块他山之石为语文教学所用，雕琢出更美的“玉”来。

密度测试试样经超声波清洗、酒精冲洗后，用JSM-5600LV型低真空扫描电子显微镜观察微观形貌。采用阿基米德法测试试样的密度，测试天平的精度为0.001 g。相对密度的计算公式为

3 结 论

能量输入密度φ的物理意义是单位扫描面积所得到的能量，其计算公式为

(2) 采用SLM成形316L不锈钢粉时的最佳工艺参数组合为激光功率310 W、扫描速度960 mm·s-1、扫描间距0.13 mm，成形后试样的相对密度和抗拉、屈服强度均最大，分别为99.53%，613 MPa和320 MPa，伸长率适中，为44.6%。

4.3.3 切口局部浸润麻醉：切口局部浸润麻醉也常作为剖宫产术后伤口疼痛的有效镇痛措施之一， 因其实施简便，效果确切，对设备依赖性较低，经常为临床麻醉医生所采用，可减少静脉镇痛药用量，降低镇痛相关不良反应的发生，增加患者镇痛满意度。但对于已使用椎管内阿片药物镇痛复合非甾体药物或对乙酰氨基酚镇痛时，伤口浸润效果甚微。术前、术后均使用伤口浸润阻滞，比单个使用可提供更好镇痛效果。置管后持续伤口浸润可提供更好的镇痛效果，可减少患者术后疼痛评分，减少阿片类药物使用，降低恶心呕吐发生率。临床经验表明，若持续泵入局麻药，筋膜下置管效果比筋膜上或皮下置管效果好[21]。

(3) 在优化工艺参数(能量输入密度为2.48 J·mm-2)下，成形试样的表面光滑连续，比较平整，孔隙较小，拉伸断口上的韧窝细小均匀，且球化现象较少；当扫描速度降至860 mm·s-1、扫描间距降至0.11 mm，即能量输入密度为3.81 J·mm-2时，成形试样表面的孔隙很多，且孔隙尺寸较大，拉伸断口上有球化和开裂现象；当激光功率降至260 W、扫描速度增至1 060 mm·s-1，即能量输入密度为1.89 J·mm-2时，成形试样表面的孔隙同样较多，且拉伸断口上也存在球化现象。

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