Tối ưu hóa quy trình SLM cho thép không gỉ 316L: kiểm soát kỹ thuật từ đặc tính bột đến độ đặc và khả năng chống ăn mòn

Mở đầu: 316L là vật liệu chủ lực trong sản xuất bồi đắp kim loại, nhưng “in được” không có nghĩa là “in ổn định”

Trong hệ vật liệu của sản xuất bồi đắp kim loại, thép không gỉ 316L gần như là vật liệu nhập môn của mọi đội ngũ kỹ thuật: nó chống ăn mòn, có thể hàn, chi phí vừa phải và được ứng dụng rộng rãi trong hóa chất, dược phẩm, máy móc thực phẩm, thiết bị biển và thiết bị y tế. Tuy nhiên trong dự án thực tế, cùng một máy SLM, cùng một lô tệp STL, linh kiện do các nhóm khác nhau chế tạo thường có khác biệt rất lớn — có nhóm đạt độ đặc ổn định trên 99,5%, bề mặt đẹp, lâu dài không rò rỉ và không ăn mòn; có nhóm lại gặp lỗi không nóng chảy giữa các lớp, nhiều lỗ khí, cong vênh mép, thậm chí nứt. Căn nguyên thường không nằm ở bản thân thiết bị, mà ở việc cửa sổ quy trình có thực sự được hiểu và kiểm soát hay không. Bài viết này sắp xếp lộ trình tối ưu hóa SLM cho 316L theo trình tự “vật liệu — tạo hình — hậu xử lý”.

1. Vai trò quyết định của đặc tính bột đối với chất lượng tạo hình

SLM, tức nóng chảy laser chọn lọc, về bản chất là một quá trình vi luyện kim nóng chảy nhanh và đông đặc nhanh. Vì vậy, phân bố kích thước hạt, độ cầu và hàm lượng oxy của bột trực tiếp quyết định độ ổn định khi rải bột và hành vi của vũng chảy. Bột 316L phun khí thường dùng trong ngành có phân bố kích thước chủ yếu trong khoảng 15–53 μm: nếu hạt quá thô, lớp bột với chiều dày thường gặp 20–40 μm khó phủ đều và dễ để lại vùng chưa nóng chảy giữa các lớp; nếu hạt quá mịn, độ chảy của bột kém đi, bụi tăng lên và cũng gây khuyết tật rải bột.

Điểm quan trọng hơn là hàm lượng oxy. Oxy trong 316L ưu tiên tạo tạp oxit, phá vỡ tính thấm ướt của vũng chảy và làm tăng độ rỗng, vì vậy hàm lượng oxy của bột dùng để in thường nên được kiểm soát ở mức ≤0,1%. Số lần tái sử dụng bột cũng phải được ghi nhận: mỗi lần thu hồi đều làm thay đổi tỷ lệ bột mịn, hàm lượng oxy và lượng bột vệ tinh. Nên lập sổ theo dõi lô, trộn bột mới và bột thu hồi theo tỷ lệ, đồng thời kiểm tra lại kích thước hạt và hàm lượng oxy; đây là tiền đề để bảo đảm tính nhất quán giữa các lô.

2. Cửa sổ quy trình cốt lõi của SLM: công suất laser, tốc độ quét và mật độ năng lượng

Các thông số cốt lõi quyết định trạng thái vũng chảy là công suất laser P, tốc độ quét v, khoảng cách đường quét h và chiều dày lớp t; chúng cùng tạo nên mật độ năng lượng thể tích, VED = P/(v·h·t). Đối với 316L, một khoảng mật độ năng lượng phổ biến và ổn định thường nằm khoảng 60–100 J/mm³: tổ hợp điển hình gồm công suất laser 200–285 W, tốc độ quét 800–1000 mm/s, khoảng cách quét 0,09–0,11 mm và chiều dày lớp 0,03–0,04 mm.

Khi mật độ năng lượng quá thấp, độ sâu vũng chảy không đủ, sẽ xuất hiện khuyết tật thiếu liên kết nóng chảy; loại khuyết tật này có dạng góc cạnh bất quy tắc và gây hại cho tính năng mỏi lớn hơn nhiều so với lỗ khí hình cầu. Khi mật độ năng lượng quá cao, vũng chảy quá nhiệt gây bay hơi kim loại, tạo bắn tóe và lỗ khóa, thậm chí khóa lỗ khí bên trong. Vì vậy mục tiêu tối ưu quy trình không phải là “tăng công suất để đạt độ đặc”, mà là tìm cửa sổ giữa thiếu nóng chảy và lỗ khóa, rồi xác nhận bằng đường quét đơn lớp, đơn vệt và mặt cắt kim tương của mẫu khối.

3. Kiểm soát độ đặc và lỗ rỗng: từ hành vi vũng chảy đến biện pháp ức chế quy trình

Lỗ rỗng của 316L chủ yếu đến từ ba cơ chế: thứ nhất là lỗ góc cạnh do thiếu liên kết nóng chảy; thứ hai là lỗ khí do bắn tóe cuốn vào hoặc khí không kịp thoát ra; thứ ba là lỗ khí nguyên thủy do bột rỗng sẵn có mang vào. Tương ứng, các biện pháp ức chế trong quy trình cũng có ba hướng:

Thứ nhất, tăng tỷ lệ chồng lấp khi quét, giảm hợp lý khoảng cách quét hoặc tăng độ chồng giữa các đường quét để bảo đảm liên kết luyện kim hoàn toàn giữa các vệt; thứ hai, áp dụng chiến lược quét dạng bàn cờ hoặc dải, chia đường quét dài thành các đoạn ngắn và lệch vị trí bắt đầu giữa các lớp, tránh tập trung ứng suất dư, đồng thời cho khí thêm thời gian thoát ra; thứ ba, tối ưu góc xoay giữa các lớp, thường luân phiên 45° hoặc 67°, để khuyết tật giữa các lớp không chồng lên nhau theo cùng một hướng.

Ở khâu nghiệm thu, nên dùng phương pháp Archimedes đo mật độ kết hợp thống kê độ rỗng trên mặt cắt kim tương để xác minh theo hai tuyến. Khi bàn giao kỹ thuật, thông thường yêu cầu độ đặc tương đối ≥99,5%; đối với điều kiện chịu áp hoặc chịu mỏi, cần thử kéo theo ASTM E8 để xác nhận độ bền kéo và độ giãn dài đều đạt mức tương đương vật liệu rèn.

4. Ứng suất dư, biến dạng và xử lý nhiệt

Tốc độ đông đặc của SLM có thể đạt cấp vài mét mỗi giây. Chênh lệch nhiệt độ mạnh sẽ tích tụ ứng suất dư rất cao bên trong chi tiết, biểu hiện thành cong vênh tấm nền, mép