基于SLM技术对H13钢性能研究

原标题：基于SLM技术对H13钢性能研究

1 试验材料

试验材料为H13钢合金粉末的化学成分如表1所示，振实密度为4.46 g/cm三、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 成型前准备样品

试验设备为DiMetal-100型打印机，成型基板材料为45号钢。试验前，对SLM清洁设备成型腔，将酒精浸润无尘纸擦拭腔、激光透镜、刮板等部件。试验前，对SLM清洁设备成型腔，将酒精浸入无尘纸中，擦拭腔、激光透镜、刮板等部件。成型基板磨平后喷砂，安装在SLM在设备上，通过调平螺母进行调整。筛粉机对H筛选13种钢粉，去除前次试验烧结产生的残留颗粒，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，通过氮气排出其他气体，将氧气浓度降至0.01%以下，通过SLM测试设备控制面板。

2.2 样品成型后处理

样品成型后，等待成型腔冷却至室温，排出成型腔内的气体，打开成型腔仓门，清理样品周围和表面粉末，取出成型腔内的基板，用线切割将基板与样品分离。

3 试验方案

正交试验法分析试验SLM打印机工艺参数对H13钢粉成型性能的影响主要考察激光功率三个因素（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.扫描间距L固定为0.07 mm，并采用 L选定参数的正交试验水平值如表3所示。

表3 正交试验表

主要研究试验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、冲击韧性和综合性能在4个性能（1：1：1：1）下的影响；为保证试验结果的稳定性和普遍性，每组样品打印3个样品，无机械加工和热处理。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：样品尺寸为10 mm×10 mm×10 mm，如图1（a）洛氏硬度计用于检测。冲击试验：样品尺寸为10 mm×10 mm×55 mm的带V长方形缺口，如图1所示（b）使用摆锤式冲击试验机进行检测。

图1 试 样

4 结果分析

4.1 检测结果分析

各工艺参数的能量密度通过公式图片计算得出E；用相应的仪器检测样品的硬度、冲击功能、表面粗糙度、尺寸精度，并给予相同的权重，用公式图片（x对任何性能检测后的值进行归一化处理，得出样品的综合性能得分，并进行统计，数据如表4所示。

表4 测试结果及分析

从表

4可以看出，样品为10 mm正方体的更小偏差为0.02 mm，相对精度误差为0.90 %；冲击试验后，样品冲击韧性差，脆性大，断口平整，如图2所示。

图2 冲击试验后断口

由于指标大(硬度、冲击功)、小(表面粗糙度)和中间型(尺寸)，为了统一数据类型，所有指标都被正向处理。由于尺寸、硬度、表面粗糙度和冲击韧性的测量大纲（单位）不同，需要消除各指标大纲的影响，并标准化正数据矩阵。标准化数据如表5所示。

表5 标准化数据

10 mm正方体样品示意图如图3所示（a）所示，X轴向垂直于激光扫描方向X轴的表面分别为X1、X2即平面ZOY，垂直于Y轴的表面分别为Y1、Y2即平面ZOX，；硬度检测试样不同表面(除底面外)，并记录测量数据，如图3所示，绘制折线图（b）所示。

图3 不同的表面和硬度曲线

从图3（b）可见：在同一组正交试验中，顶面的硬度一般高于侧面；X1、X2的硬度高于Y1、Y2；Y1、Y硬度差，两面硬度近。

4.2 极差和方差分析

对SLM工艺参数及设备H13钢各项性能的数据进行极差和方差分析，其结果如图4所示，柱状图表示极差分析, R值反映了自变量对因变量的影响，折线图表示方差分析的显著程度。

图4 极差和方差分析

从图4中得出以下结果。

图4 极差和方差分析

从图4中得出以下结果。

(1)对硬度影响更大的是铺粉厚度，其次是激光功率，更小是扫描速度，更佳组合是P1V2H激光功率140 W、扫描速度702.5 mm/s、铺粉厚度0.03 mm。

(2)扫描速度对冲击韧性影响更大，其次是铺粉厚度，激光功率更小。更好的组合是P3V2H2，即激光功率185 W、扫描速度702.5 mm/s、铺粉厚度0.04 mm。

(3)扫描速度对表面粗糙度影响更大，其次是激光功率，更小的是铺粉厚度，更佳组合是P3V3H激光功率185 W、扫描速度905 mm/s、铺粉厚度0.03 mm。

(4)对尺寸精度影响更大的是铺粉厚度，其次是激光功率，更小是扫描速度，更佳组合是P1V2H激光功率140 W、扫描速度702.5 mm/s、铺粉厚度0.03 mm。

(5)对综合性能影响更大的是铺粉厚度，其次是激光功率，更小是扫描速度，更佳组合是P1V2H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

为了探索各种因素和性能之间的线性相关性，首先绘制散点图（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。

为了验证上述结论的可靠性，但由于结果如表6所示，因为其数据不符合正态分布测试，不使用皮尔逊相关系数测试。

表6 斯皮尔曼相关系数检验

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

从表6可以看出，粉末厚度对尺寸精度、综合性能、负相关性和硬度相关性较弱，其他自变量与变量相关性较弱。

原作者：涂尊鹏 潘健怡 董艺 唐广 吴玉广 翁育武 胡哲鑫

作者：广州城市理工学院 机械工程学院回搜狐多看 责任编辑：