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基于SLM技术对H13钢性能的研究

http://www.qctester.com/ 来源: 本站原创  浏览次数:1241 发布时间:2022-4-13 QC检测仪器网

1 试验材料

试验材料为H13钢合金粉末,化学成分如表1所示,振实密度为4.46 g/cm3,松装密度为4.01 g/cm3,流动性为28.03 s/50 g,粒度分布如表2所示。

表1   H13钢化学成分 ( 质量分数 )

表2   H13粒度分布

 

2 成型设备及制备方法

2.1 试样成型前准备

试验设备为DiMetal-100型号打印机,成型基板材料为45号钢。试验前,对SLM设备成型腔进行清理,将酒精浸润无尘纸擦拭腔体、激光透镜、刮板等部件。对成型基板进行磨平处理后喷砂,并将其安装在SLM设备上,通过调平螺母进行调节。通过筛粉机对H13钢粉末进行筛选,去除前次试验烧结产生的残留颗粒,并放入电热鼓风干燥箱干燥,干燥温度和时间分别为100 ℃、10 min;将干燥后的粉末倒入送粉缸内。关闭成型腔仓门,通入氮气将其他气体排出,使氧气浓度下降到0.01%以下,通过SLM设备控制面板进行试验。

2.2 试样成型后处理

试样成型后等待成型腔内冷却至室温,将成型腔内气体排出,打开成型腔仓门,清理试样周围和表面粉末,将基板从成型腔内取出,用线切割将基板与试样进行分离。

3 试验方案

试验采用正交试验法分析SLM打印机的工艺参数对H13钢粉末的成型性能的影响,试验主要考察3个因素,分别为激光功率(P/W)、扫描速度 (V/mm·s-1)、铺粉厚度(H/mm)。正交试验法选取的3个工艺参数的区间分别为[140,185]、[500,905]、[0.03,0.05],扫描间距L固定为0.07 mm,并采用 L9(33)的正交试验表,选定参数的正交试验水平数值如表3所示。

表3   正交试验表

 

试验主要研究SLM设备不同的工艺参数对H13钢的成型尺寸精度、硬度、表面粗糙度、冲击韧性以及在4个性能同权重(1:1:1:1)下综合性能的影响;为了确保试验结果的稳健性和普遍性,每一组试样均打印3个样品,试样均未进行机加工与热处理。试样尺寸相同的情况下,同一材料冲击韧性与冲击功呈正相关,即冲击功越大,冲击韧性越好。硬度试验:试样尺寸为10 mm×10 mm×10 mm,如图1(a)所示,检测使用洛氏硬度计。冲击试验:试样尺寸为10 mm×10 mm×55 mm的带V形缺口长方体,如图1(b)所示,检测使用摆锤式冲击试验机。

图1   试 样

4 结果分析

4.1 检测结果分析

通过公式计算,得出各工艺参数的能量密度E;用相应仪器检测试样的硬度、冲击功、表面粗糙度、尺寸精度,并对其赋予同等权重进行加权求和,用公式x为任意一项性能检测后数值)进行归一化处理,得出试样的综合性能得分,并进行统计,数据如表4所示。

表4   试验结果及分析

 

从表4可知:对于试样为10 mm的正方体,尺寸总体上呈偏大的趋势,其成型尺寸最小偏差为0.02 mm,相对精度误差为0.90 %;进行冲击试验后,试样的冲击韧性较差,脆性较大,断口较平整,如图2所示。

图2   冲击试验后断口

因指标存在极大型(硬度、冲击功)和极小型(表面粗糙度)与中间型(尺寸),为了数据类型的统一,将所有指标正向化处理。因尺寸、硬度、表面粗糙度、冲击韧性这4个性能的量纲(单位)不同,需要消除各指标量纲的影响,对已经正向化的数据矩阵进行标准化处理,标准化后的数据如表5所示。

表5   标准化后的数据

 

10 mm正方体试样的示意图如图3(a)所示,X轴方向为激光扫描方向,其中垂直于X轴的面分别为X1X2即平面ZOY,垂直于Y轴的面分别为Y1Y2即平面ZOX,;对试样不同表面(除底面外)进行硬度检测,并记录其测量数据,绘制折线图,如图3(b)所示。

图3   试样不同表面与硬度曲线

从图3(b)可知:在同一组正交试验的情况下,顶面的硬度总体上高于侧面;X1X2的硬度高于Y1Y2Y1Y2的硬度较差,且2个面硬度较近。

4.2 极差与方差分析

对SLM设备的工艺参数与H13钢各项性能的数据进行极差与方差分析,其结果如图4所示,柱状图表示极差分析, R值反映自变量对因变量的影响程度,折线图表示方差分析的显著性水平。

图4   极差与方差分析

从图4可得出如下结果。
(1)对于硬度,影响最大的是铺粉厚度,其次是激光功率,最小是扫描速度,其最优组合为P1V2H1,即激光功率140 W、扫描速度702.5 mm/s、铺粉厚度0.03 mm。
(2)对于冲击韧性,影响最大的是扫描速度,其次是铺粉厚度,最小是激光功率,其最优组合为P3V2H2,即激光功率185 W、扫描速度702.5 mm/s、铺粉厚度0.04 mm。
(3)对于表面粗糙度,影响最大的是扫描速度,其次是激光功率,最小是铺粉厚度,其最优组合为P3V3H1,即激光功率185 W、扫描速度905 mm/s、铺粉厚度0.03 mm。
(4)对于尺寸精度,影响最大的是铺粉厚度,其次是激光功率,最小是扫描速度,其最优组合为P1V2H1,即激光功率140 W、扫描速度702.5 mm/s、铺粉厚度0.03 mm。
(5)对于综合性能影响最大的是铺粉厚度,其次是激光功率,最小是扫描速度,其最优组合为P1V2H1,即激光功率140 W、扫描速度702.5 mm/s、铺粉厚度0.03 mm。

4.3 相关性检验

为探究各个因素、性能之间的线性相关性,先绘制散点图(见图5)进行观察和判断。

图5   参数散点图
通过图5初步得出结论:铺粉厚度与硬度、尺寸精度、综合性能有较强的线性相关性,且为负相关,即铺粉厚度越大,尺寸精度与综合性能越差。
为验证上述结论的可靠性,但因其数据不满足正态分布检验,不采用皮尔逊相关系数检验,转用斯皮尔曼相关系数检验,检测结果如表6所示。

表6   斯皮尔曼相关系数检验

注:*表示在0.05 级别(双尾),相关性显著;**表示在0.01级别(双尾),相关性显著。

从表6可知:铺粉厚度对于尺寸精度、综合性能的影响较大,呈负相关性,与硬度的相关性较弱;其他自变量与因变量的相关性相对较弱。

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