Pengoptimuman Proses SLM Keluli Tahan Karat 316L: Kawalan Kejuruteraan daripada Ciri Serbuk hingga Ketumpatan dan Rintangan Kakisan

Pengenalan: 316L ialah bahan utama dalam pembuatan aditif logam, tetapi “boleh dicetak” tidak semestinya “dicetak dengan stabil”

Dalam spektrum bahan pembuatan aditif logam, keluli tahan karat 316L hampir menjadi bahan permulaan bagi semua pasukan kejuruteraan: ia tahan kakisan, boleh dikimpal, kosnya sederhana, dan digunakan secara meluas dalam industri kimia, farmaseutikal, mesin makanan, peralatan marin serta peranti perubatan. Namun dalam projek sebenar, walaupun menggunakan mesin SLM yang sama dan kumpulan fail STL yang sama, komponen yang dihasilkan oleh pasukan berbeza sering menunjukkan perbezaan besar — ada yang mencapai ketumpatan stabil melebihi 99.5%, permukaan licin, tidak bocor dan tidak berkarat dalam jangka panjang; ada pula yang mengalami kekurangan peleburan antara lapisan, liang gas yang banyak, herotan tepi malah retakan. Punca masalah biasanya bukan pada mesin itu sendiri, tetapi sama ada tetingkap proses benar-benar difahami dan dikawal. Artikel ini menghuraikan laluan pengoptimuman proses SLM 316L mengikut urutan “bahan — pembentukan — pasca-rawatan”.

1. Peranan penentu ciri serbuk terhadap kualiti pembentukan

SLM, atau peleburan laser terpilih, pada asasnya ialah proses mikrometalurgi yang melibatkan peleburan pantas dan pemejalan pantas. Oleh itu, taburan saiz zarah, kebulatan dan kandungan oksigen serbuk secara langsung menentukan kestabilan hamparan serbuk serta tingkah laku kolam lebur. Serbuk 316L teratom gas yang biasa digunakan dalam industri lazimnya mempunyai taburan saiz zarah dalam julat 15—53 μm: jika zarah terlalu kasar, lapisan serbuk dengan ketebalan biasa 20—40 μm sukar menutup secara seragam dan mudah meninggalkan kawasan tidak lebur antara lapisan; jika zarah terlalu halus, kebolehaliran serbuk menjadi lemah, habuk meningkat, dan kecacatan hamparan serbuk juga boleh berlaku.

Faktor yang lebih kritikal ialah kandungan oksigen. Oksigen dalam 316L cenderung membentuk kemasukan oksida terlebih dahulu, merosakkan kebasahan kolam lebur dan meningkatkan keliangan. Oleh itu, kandungan oksigen serbuk untuk percetakan biasanya perlu dikawal pada ≤0.1%. Bilangan kitar semula serbuk juga mesti direkodkan: setiap proses pemulihan akan mengubah nisbah serbuk halus, kandungan oksigen dan jumlah serbuk satelit. Disarankan mewujudkan rekod kelompok, mencampurkan serbuk baharu dan serbuk kitar semula mengikut nisbah tertentu, serta menguji semula saiz zarah dan kandungan oksigen. Ini ialah prasyarat untuk memastikan konsistensi antara kelompok.

2. Tetingkap proses teras SLM: kuasa laser, kelajuan imbasan dan ketumpatan tenaga

Parameter utama yang menentukan keadaan kolam lebur ialah kuasa laser P, kelajuan imbasan v, jarak imbasan h dan ketebalan lapisan t. Parameter ini bersama-sama membentuk ketumpatan tenaga isipadu, VED = P/(v·h·t). Untuk 316L, julat ketumpatan tenaga yang biasa dan stabil adalah kira-kira 60—100 J/mm³. Gabungan tipikal termasuk kuasa laser 200—285 W, kelajuan imbasan 800—1000 mm/s, jarak imbasan 0.09—0.11 mm, dan ketebalan lapisan 0.03—0.04 mm.

Apabila ketumpatan tenaga terlalu rendah, kedalaman kolam lebur tidak mencukupi dan kecacatan kekurangan peleburan akan berlaku. Kecacatan jenis ini berbentuk bersudut tidak sekata dan jauh lebih merosakkan prestasi lesu berbanding liang gas berbentuk sfera. Apabila ketumpatan tenaga terlalu tinggi, kolam lebur menjadi terlalu panas sehingga menyebabkan penyejatan logam, percikan dan fenomena lubang kunci, yang akhirnya memerangkap liang di bahagian dalam. Oleh itu, matlamat pengoptimuman proses bukanlah “meningkatkan kuasa demi ketumpatan”, tetapi mencari tetingkap antara kekurangan peleburan dan lubang kunci, kemudian mengesahkannya melalui keratan metalografi bagi laluan tunggal satu lapisan dan spesimen blok.

3. Ketumpatan dan kawalan liang: daripada tingkah laku kolam lebur kepada penindasan proses

Liang dalam 316L terutamanya berpunca daripada tiga mekanisme: pertama, rongga bersudut akibat kekurangan peleburan; kedua, liang gas yang terbentuk kerana percikan terperangkap atau gas tidak sempat keluar; ketiga, liang asal yang dibawa masuk oleh serbuk berongga. Sehubungan itu, terdapat tiga laluan utama untuk menindasnya melalui proses:

Pertama, meningkatkan kadar pertindihan imbasan, iaitu mengurangkan jarak imbasan secara sesuai atau meningkatkan pertindihan garisan imbasan bagi memastikan ikatan metalurgi lengkap antara laluan. Kedua, menggunakan strategi imbasan papan catur atau jalur, iaitu memecahkan imbasan jarak jauh kepada segmen pendek dan mengalihkan kedudukan mula antara lapisan untuk mengelakkan penumpuan tegasan baki, sambil memberi lebih banyak masa kepada gas untuk keluar. Ketiga, mengoptimumkan sudut putaran antara lapisan, lazimnya 45° atau 67° secara berselang-seli, supaya kecacatan antara lapisan tidak bertindih pada arah yang sama.

Dari segi penerimaan, disarankan menggunakan kaedah anjakan air Archimedes untuk mengukur ketumpatan bersama statistik keliangan pada keratan metalografi sebagai pengesahan dua hala. Untuk penghantaran kejuruteraan, ketumpatan relatif biasanya perlu mencapai ≥99.5%. Bagi keadaan kerja bertekanan atau melibatkan lesu, ujian tegangan mengikut ASTM E8 diperlukan untuk mengesahkan bahawa kekuatan tegangan dan pemanjangan mencapai tahap bahan tempa.

4. Tegasan baki, ubah bentuk dan rawatan haba

Kelajuan pemejalan SLM boleh mencapai beberapa meter sesaat. Kecerunan suhu yang sangat besar akan mengumpulkan tegasan baki yang tinggi di dalam komponen, yang ditunjukkan melalui herotan plat asas dan tepi