基于SLM技术对H13钢性能的研究

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X₁、X₂即平面ZOY，垂直于Y轴的面分别为Y₁、Y₂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；X₁、X₂的硬度高于Y₁、Y₂；Y₁、Y₂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。