1 試驗材料

試驗材料為H13鋼合金粉末，化學成分如表1所示，振實密度為4.46 g/cm3，松裝密度為4.01 g/cm3，流動性為28.03 s/50 g，粒度分布如表2所示。

表1   H13鋼化學成分 ( 質量分數 )

表2   H13粒度分布

2 成型設備及制備方法

2.1 試樣成型前準備

試驗設備為DiMetal-100型號打印機，成型基板材料為45號鋼。試驗前，對SLM設備成型腔進行清理，將酒精浸潤無塵紙擦拭腔體、激光透鏡、刮板等部件。對成型基板進行磨平處理后噴砂，并將其安裝在SLM設備上，通過調平螺母進行調節。通過篩粉機對H13鋼粉末進行篩選，去除前次試驗燒結產生的殘留顆粒，并放入電熱鼓風干燥箱干燥，干燥溫度和時間分別為100 ℃、10 min；將干燥后的粉末倒入送粉缸內。關閉成型腔倉門，通入氮氣將其他氣體排出，使氧氣濃度下降到0.01%以下，通過SLM設備控制面板進行試驗。

2.2 試樣成型后處理

試樣成型后等待成型腔內冷卻至室溫，將成型腔內氣體排出，打開成型腔倉門，清理試樣周圍和表面粉末，將基板從成型腔內取出，用線切割將基板與試樣進行分離。

3 試驗方案

試驗采用正交試驗法分析SLM打印機的工藝參數對H13鋼粉末的成型性能的影響，試驗主要考察3個因素，分別為激光功率（P/W）、掃描速度 （V/mm·s-1）、鋪粉厚度（H/mm）。正交試驗法選取的3個工藝參數的區間分別為[140,185]、[500,905]、[0.03,0.05]，掃描間距L固定為0.07 mm，并采用 L9（33）的正交試驗表，選定參數的正交試驗水平數值如表3所示。

表3   正交試驗表

試驗主要研究SLM設備不同的工藝參數對H13鋼的成型尺寸精度、硬度、表面粗糙度、沖擊韌性以及在4個性能同權重（1:1:1:1）下綜合性能的影響；為了確保試驗結果的穩健性和普遍性，每一組試樣均打印3個樣品，試樣均未進行機加工與熱處理。試樣尺寸相同的情況下，同一材料沖擊韌性與沖擊功呈正相關，即沖擊功越大，沖擊韌性越好。硬度試驗：試樣尺寸為10 mm×10 mm×10 mm，如圖1（a）所示，檢測使用洛氏硬度計。沖擊試驗：試樣尺寸為10 mm×10 mm×55 mm的帶V形缺口長方體，如圖1（b）所示，檢測使用擺錘式沖擊試驗機。

圖1   試 樣

4 結果分析

4.1 檢測結果分析

通過公式圖片計算，得出各工藝參數的能量密度E；用相應儀器檢測試樣的硬度、沖擊功、表面粗糙度、尺寸精度，并對其賦予同等權重進行加權求和，用公式圖片（x為任意一項性能檢測后數值）進行歸一化處理，得出試樣的綜合性能得分,并進行統計，數據如表4所示。

表4   試驗結果及分析

從表4可知：對于試樣為10 mm的正方體，尺寸總體上呈偏大的趨勢，其成型尺寸最小偏差為0.02 mm，相對精度誤差為0.90 %；進行沖擊試驗后，試樣的沖擊韌性較差，脆性較大，斷口較平整，如圖2所示。

圖2   沖擊試驗后斷口

因指標存在極大型（硬度、沖擊功）和極小型（表面粗糙度）與中間型（尺寸），為了數據類型的統一，將所有指標正向化處理。因尺寸、硬度、表面粗糙度、沖擊韌性這4個性能的量綱（單位）不同，需要消除各指標量綱的影響，對已經正向化的數據矩陣進行標準化處理，標準化后的數據如表5所示。

表5   標準化后的數據

10 mm正方體試樣的示意圖如圖3（a）所示，X軸方向為激光掃描方向，其中垂直于X軸的面分別為X1、X2即平面ZOY，垂直于Y軸的面分別為Y1、Y2即平面ZOX，；對試樣不同表面（除底面外）進行硬度檢測，并記錄其測量數據，繪制折線圖，如圖3（b）所示。

圖3   試樣不同表面與硬度曲線

從圖3（b）可知：在同一組正交試驗的情況下，頂面的硬度總體上高于側面；X1、X2的硬度高于Y1、Y2；Y1、Y2的硬度較差，且2個面硬度較近。

4.2 極差與方差分析

對SLM設備的工藝參數與H13鋼各項性能的數據進行極差與方差分析，其結果如圖4所示，柱狀圖表示極差分析, R值反映自變量對因變量的影響程度，折線圖表示方差分析的顯著性水平。

圖4   極差與方差分析

從圖4可得出如下結果。

（1）對于硬度，影響最大的是鋪粉厚度，其次是激光功率，最小是掃描速度，其最優組合為P1V2H1，即激光功率140 W、掃描速度702.5 mm/s、鋪粉厚度0.03 mm。

（2）對于沖擊韌性，影響最大的是掃描速度，其次是鋪粉厚度，最小是激光功率，其最優組合為P3V2H2，即激光功率185 W、掃描速度702.5 mm/s、鋪粉厚度0.04 mm。

（3）對于表面粗糙度，影響最大的是掃描速度，其次是激光功率，最小是鋪粉厚度，其最優組合為P3V3H1，即激光功率185 W、掃描速度905 mm/s、鋪粉厚度0.03 mm。

（4）對于尺寸精度，影響最大的是鋪粉厚度，其次是激光功率，最小是掃描速度，其最優組合為P1V2H1，即激光功率140 W、掃描速度702.5 mm/s、鋪粉厚度0.03 mm。

（5）對于綜合性能影響最大的是鋪粉厚度，其次是激光功率，最小是掃描速度，其最優組合為P1V2H1，即激光功率140 W、掃描速度702.5 mm/s、鋪粉厚度0.03 mm。

4.3 相關性檢驗

為探究各個因素、性能之間的線性相關性，先繪制散點圖（見圖5）進行觀察和判斷。

圖5   參數散點圖

通過圖5初步得出結論：鋪粉厚度與硬度、尺寸精度、綜合性能有較強的線性相關性，且為負相關，即鋪粉厚度越大，尺寸精度與綜合性能越差。

為驗證上述結論的可靠性，但因其數據不滿足正態分布檢驗，不采用皮爾遜相關系數檢驗，轉用斯皮爾曼相關系數檢驗，檢測結果如表6所示。

表6   斯皮爾曼相關系數檢驗

注：*表示在0.05 級別（雙尾），相關性顯著；**表示在0.01級別（雙尾），相關性顯著。

從表6可知：鋪粉厚度對于尺寸精度、綜合性能的影響較大，呈負相關性，與硬度的相關性較弱；其他自變量與因變量的相關性相對較弱。

原文作者:涂尊鵬 潘健怡 董藝 唐廣 吳玉廣 翁育武 胡哲鑫

作者單位：廣州城市理工學院 機械工程學院