基于SLM的18Ni-300模具鋼工藝參數(shù)優(yōu)化

朱逸韜，黃衛(wèi)東，張偉杰，陳俠宇，賴章鵬

(福建工程學院 機械與汽車工程學院，福建 福州 350118)

激光選區(qū)熔化(selective laser melting, SLM)是一種利用高能量激光束逐層選擇性地熔化金屬粉末，通過逐層鋪粉，逐層熔化凝固堆積的方式，制造三維實體零件的快速成型技術[1-2]。而在實際的成型過程中，成型工藝參數(shù)選擇不當時，會造成成型件的缺陷，如孔隙、裂紋、翹曲、未融化顆粒等[3-4]，從而影響最終的成型質量。因此，SLM成型過程中工藝參數(shù)的合理選取，對于保證成型件的質量具有重要意義[5]。

對于SLM成型工藝參數(shù)與成型件性能之間的關聯(lián)，國內外的學者都做了一定的研究。Ferreira[6]等研究了掃描速度對18Ni-300模具鋼成型件孔隙率和力學性能的影響；程博[7]等研究了激光功率和掃描速度對18Ni-300模具鋼成型件成型性能的影響規(guī)律；楊立軍[8]等研究了工藝參數(shù)對316L合金SLM成型件致密度和硬度的影響；馬英怡[9]等研究了掃描速度對316L合金SLM成型件的性能的影響；Campanelli[10]等研究了工藝參數(shù)對18Ni-300模具鋼SLM成型件致密度的影響；魏富濤[11]等研究了工藝參數(shù)對18Ni-300模具鋼SLM成型件相對密度和力學性能的影響。

綜上所述，國內外學者針對SLM成型18Ni300模具鋼的致密度和力學性能做了一定的研究，但較少從激光功率、掃描速度、掃描間距、鋪粉厚度等4個因素研究18Ni-300模具鋼SLM成型件致密度的影響規(guī)律。本實驗采用正交實驗法，探索SLM成型工藝參數(shù)對18Ni300模具鋼成型件致密度的影響規(guī)律，并確定最優(yōu)工藝參數(shù)組合。

1 實驗設備和方法

1.1 實驗設備

本實驗設備選用德國SLM solutions公司出廠的型號為SLM 125 HL的金屬打印機，其光斑直徑可選范圍為70～100 μm。實驗材料為SLM Solution公司生產(chǎn)的18Ni300模具鋼粉末，其粒徑范圍為5～55 μm。表1為實驗中使用的18Ni300模具鋼粉末的化學成分。圖1為18Ni300模具鋼粉末形貌及粉末粒徑。成型粉末在80 ℃下真空烘干8 h。成型基板材料為45鋼。

表1 18Ni-300模具鋼粉末化學成分Tab.1 Chemical composition of 18Ni-300 tool steel powder

圖1 18Ni-300模具鋼粉末 Fig.1 18Ni-300 tool steel powder

1.2 測量方法及設備

樣件先用丙酮清洗，再用無水乙醇清洗，真空烘干后根據(jù)阿基米德排水法，使用Mettler Toledo ME204E分析天平確定SLM樣品的致密度。對樣品的橫截面進行打磨、拋光，使用Hitachi TM3030plus臺式掃描電子顯微鏡觀察樣件的微觀結構。

1.3 實驗設計

本實驗使用了4個工藝參數(shù)，采用4因素4水平正交試驗設計，如表2所示。本實驗制備10 mm×10 mm×10 mm的立方體樣品用于檢測致密度。

表2 工藝參數(shù)Tab.2 Process parameters

2 實驗結果

2.1 實驗結果

16個成型件樣品的實驗測量結果如表3所示。接下來對實驗結果進一步統(tǒng)計分析。

表3 樣品測量結果Tab.3 Sample measurement results

2.2 極差分析

采用正交實驗的極差分析法對實驗結果進行分析。計算K值，即為同一因素同一水平的情況下，所代表的實驗測量結果之和。在計算同一因素不同水平的K值時，K值結果為最大，則表示該因素在這一水平所代表的工藝參數(shù)為最優(yōu)。經(jīng)計算，激光功率為260 W，掃描速度為500 mm/s，掃描間距為0.11 mm，鋪粉厚度為0.02 mm時，K值為最大，分別為395.79，392.70，395.15，393.06。在計算同一因素不同水平的K值時，得到K最小值，將同一因素的K最大值與K最小值相減，可以得到極差R。經(jīng)計算，激光功率、掃描速度、掃描間距、鋪粉厚度這4個因素的R值分別為18.02、8.17、9.79、8.66。對比R的數(shù)值大小，可以得到實驗因素對實驗結果影響的排序為激光功率、掃描間距、鋪粉厚度、掃描速度。

2.3 方差分析

方差分析法可以反映出每一個工藝參數(shù)對檢測指標的影響程度。首先計算總離差平方和為98.06。計算各因素及誤差引起的離差平方和，激光功率、掃描速度、掃描間距、鋪粉厚度4因素的離差平方和分別為50.71、11.18、23.52、10.41，誤差離差平方和為2.24。接下來計算自由度，總自由度為15。隨后計算均方，分別得到激光功率、掃描間距、鋪粉厚度、掃描速度的均方為16.90、3.73、7.84、3.47，誤差的均方為0.75。最后將各因素的均方除以誤差均方得到激光功率、掃描速度、掃描間距、鋪粉厚度的檢驗值，分別為22.64、4.99、10.50、4.65。由此可知激光功率、掃描間距對成型件的致密度影響顯著，而掃描速度、鋪粉厚度影響不顯著。

2.4 驗證實驗

通過上述分析可知，最優(yōu)工藝參數(shù)組合為激光功率260 W、掃描速度500 mm/s、鋪粉厚度0.02 mm、掃描間距0.11 mm，應用此工藝參數(shù)組合進行18Ni-300模具鋼粉末SLM成型實驗，得到的成型件致密度為99.99%，優(yōu)于所有上述工藝參數(shù)組合的樣件。

3 各工藝參數(shù)對成型件致密度影響規(guī)律分析

通過對實驗數(shù)據(jù)處理，得到如圖2所示的各個工藝參數(shù)對成型件致密度的影響規(guī)律趨勢圖。

3.1 激光功率對致密度的影響

由圖2(a)可看出，激光功率從180 W增加到300 W時，成型件的致密度呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢。圖3(a)是激光功率為180 W時，成型件剖面形貌圖，從圖中可以看出，成型件內部存在孔隙。在激光功率較低時，粉末接收到的能量不足，粉末無法充分熔化，熔體流動性不足從而導致熔體在熔道內的鋪展質量較差，熔池連續(xù)性差。此時成型件內部出現(xiàn)較多的孔隙，致密度低。圖3(b)為激光功率為260 W時，成型件剖面形貌圖，從圖中可以看出，成型件成型質量較好，致密度高。激光功率持續(xù)增加到300 W，此時激光功率過大，粉末接收的能量過多，熔池內出現(xiàn)大量的金屬蒸汽，并使得粉末產(chǎn)生嚴重的飛濺現(xiàn)象，導致熔池中的液相金屬無法充分鋪展到整個熔道，如圖4所示。此時，熔池內出現(xiàn)孔洞，同時大量的飛濺物落在成型面上，從而致密度下降，此時成型件剖面形貌圖如圖3(c)所示。因此，選擇合適的激光功率能夠提高成型件的致密度。

圖2 工藝參數(shù)對成型件致密度的影響規(guī)律Fig.2 Effects of process parameters on the density of molded parts

圖3 成型件剖面的形貌圖Fig.3 Topography of the profile of the formed part

圖4 熔池內粉末飛濺行為示意圖Fig.4 Schematic diagram of powder splash behavior in the molten pool

3.2 掃描速度對致密度的影響

由圖3(b)可以看出，掃描速度在500 mm/s～1 100 mm/s時，成型件的致密度呈現(xiàn)持續(xù)下降的趨勢。在激光掃描的過程中，掃描速度影響激光在粉末上的停留時間。激光在粉末上停留的時間比較合適時，粉末熔化和液相鋪展充分，所以在實驗掃描速度為500 mm/s時，成型件的致密度高。隨著掃描速度逐漸增加，激光在粉末上停留的時間減少，粉末熔化加快，熔池的冷卻速率增加。當掃描速度過高時，激光在粉末上作用的時間過短，此時熔池中粉末吸收的能量不足以使其熔化，熔池變窄，液相形成較少且流動能力不足，無法鋪展整個熔池，并在層與層間殘留未熔化的粉末。因此在熔池中形成大量孔隙，降低了成型件的致密度。

3.3 掃描間距對致密度的影響

由圖3(c)可以看出，掃描間距從0.08 mm增加到0.17 mm，致密度先增大后減小。掃描間距影響相鄰熔道的搭接率。搭接率計算公式為：

(1)

W為熔池寬度，單位：mm；s為搭接寬度，單位mm；δ為掃描間距，單位：mm。由式(1)可知，搭接率隨著掃描間距的增大而減小。當掃描間距過大時，熔道搭接率過小，會導致每一成型層內部的相鄰熔道之間的粉末無法充分熔化，從而存在孔洞。在這種情況下層層結合，會導致層與層之間、熔池與熔池之間結合強度下降，同時致密度下降。當掃描間距過小時，導致熔道搭接率過大，搭接處獲得大量的能量，出現(xiàn)過熔及金屬蒸汽飛濺的情況，產(chǎn)生大量孔隙，降低成型件的致密度。在實驗中，選用掃描間距為0.11 mm，成型件獲得更好的致密度。

3.4 鋪粉厚度對致密度的影響

由圖2(d)可看出，鋪粉厚度從0.02 mm增加到0.065 mm時致密度呈現(xiàn)持續(xù)減小的趨勢。鋪粉厚度選取合適，粉末熔融充分，并且激光可以透過粉末對上一層熔化成型的表面進行一次重熔，從而使其表面更為平整，使得每一層都可以得到良好的熔融質量，層層積累后，不易出現(xiàn)孔隙，成型件致密度較好。鋪粉厚度的增加，使得粉末完全熔化需要的能量增多，但此時的能量無法使粉末完全熔化，如圖5(a)所示。熔池中的液相金屬在粉層底部未熔粉末作用下無法充分鋪展或者出現(xiàn)斷開現(xiàn)象，使得整個熔道出現(xiàn)間隙現(xiàn)象[12]。同時未熔粉末和飛濺物的層層堆積，造成凹陷和凸起等缺陷，如圖5(b)所示。這些在SLM中常見的缺陷會導致成型件致密度的下降。

圖5 熔池形貌圖Fig.5 Topography of molten pool

4 結論

1)SLM成型18Ni-300模具鋼粉末時，成型件的致密度與激光功率、掃描速度、掃描間距、鋪粉厚度等工藝參數(shù)的選擇有關。最優(yōu)工藝參數(shù)組合是激光功率260 W、掃描速度500 mm/s、掃描間距0.11 mm、鋪粉厚度0.02 mm。驗證實驗結果成型件的致密度為99.99%，均高于其他工藝參數(shù)組。

2)激光功率、掃描速度的大小影響激光能量密度和激光停留時間，從而影響成型件的致密度，兩者要合理匹配，既要保證成型件的質量，又要盡可能地選擇較大的掃描速度來提高成型效率。

3)掃描間距影響熔道的搭接率，從而影響搭接處粉末接收激光能量的大小及成型件的致密度。隨著掃描間距增大，成型件致密度呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢。

4)鋪粉厚度影響粉末熔化的深度，從而影響成型件的致密度，隨著鋪粉厚度增大，成型件致密度呈現(xiàn)逐步減少的趨勢。