基于SLM技術(shù)對H13鋼性能的研究

0 引 言

隨著科技與工業(yè)制造水平的進(jìn)步，金屬3D打印技術(shù)作為先進(jìn)制造技術(shù)的發(fā)展方向，對于模具零件與機(jī)械制造有著重要作用。SLM技術(shù)（選擇性激光熔融技術(shù)）作為金屬3D打印技術(shù)的一種，它是利用金屬粉末在激光束的熱作用下熔化、經(jīng)冷卻凝固而成型的一種技術(shù)

。目前SLM技術(shù)的發(fā)展仍存在較多的問題需要解決，如SLM技術(shù)在打印時金屬粉末的各元素含量比例、夾雜程度、顆粒大小等對最終產(chǎn)品的影響。

根據(jù)調(diào)查，市場上可用于3D打印的金屬粉末有10多種，包括熱作模具鋼、Ni基高溫合金、Ti合金、不銹鋼以及Co-Cr合金等，但大多處于試驗(yàn)階段，無法實(shí)現(xiàn)商業(yè)化及大批量生產(chǎn)

。熱作模具鋼主要用于制造從加熱到再結(jié)晶溫度以上的固態(tài)金屬或高溫液態(tài)金屬壓制成形的模具

；H13鋼（C-Cr-Mo-Si-V型鋼）作為熱作模具鋼應(yīng)用較普遍，目前H13鋼在金屬3D打印的應(yīng)用上仍存在問題，對于H13鋼性能與SLM技術(shù)工藝參數(shù)之間的關(guān)系不明確

，現(xiàn)主要探究SLM技術(shù)的工藝參數(shù)對H13鋼成型性能的影響以及兩者之間的相關(guān)性，為了提高試驗(yàn)效率、降低制造成本，采用正交試驗(yàn)法。

1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)材料為H13鋼合金粉末，化學(xué)成分如表1所示，振實(shí)密度為4.46 g/cm

，松裝密度為4.01 g/cm

，流動性為28.03 s

50 g，粒度分布如表2所示。

金融行業(yè)健康發(fā)展是社會經(jīng)濟(jì)健康發(fā)展的決定性因素，綠色金融的實(shí)現(xiàn)，能夠促進(jìn)傳統(tǒng)粗放型經(jīng)濟(jì)發(fā)展方式的轉(zhuǎn)變，滿足社會可持續(xù)發(fā)展現(xiàn)實(shí)需求，推進(jìn)經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型升級，全面提升經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展水平。在此種情況下，對我國綠色金融可持續(xù)發(fā)展的長效機(jī)制構(gòu)建進(jìn)行探究，具有一定現(xiàn)實(shí)意義。

2 成型設(shè)備及制備方法

2.1 試樣成型前準(zhǔn)備

試驗(yàn)設(shè)備為DiMetal-100型號打印機(jī)，成型基板材料為45號鋼。試驗(yàn)前，對SLM設(shè)備成型腔進(jìn)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(jìn)行磨平處理后噴砂，并將其安裝在SLM設(shè)備上，通過調(diào)平螺母進(jìn)行調(diào)節(jié)。通過篩粉機(jī)對H13鋼粉末進(jìn)行篩選，去除前次試驗(yàn)燒結(jié)產(chǎn)生的殘留顆粒，并放入電熱鼓風(fēng)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(nèi)。關(guān)閉成型腔倉門，通入氮?dú)鈱⑵渌麣怏w排出，使氧氣濃度下降到0.01%以下，通過SLM設(shè)備控制面板進(jìn)行試驗(yàn)。

2.2 試樣成型后處理

（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(yōu)組合為

，即激光功率185 W、掃描速度905 mm/s、鋪粉厚度0.03 mm。

3 試驗(yàn)方案

從圖4可得出如下結(jié)果。

試驗(yàn)主要研究SLM設(shè)備不同的工藝參數(shù)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(quán)重（1:1:1:1）下綜合性能的影響；為了確保試驗(yàn)結(jié)果的穩(wěn)健性和普遍性，每一組試樣均打印3個樣品，試樣均未進(jìn)行機(jī)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(guān)，即沖擊功越大，沖擊韌性越好。硬度試驗(yàn)：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(yàn)：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?jīng)_擊試驗(yàn)機(jī)。

4 結(jié)果分析

4.1 檢測結(jié)果分析

醫(yī)院要加強(qiáng)成本核算的全面性，應(yīng)利用更先進(jìn)的核算方式對醫(yī)院的固定資產(chǎn)、流動資產(chǎn)、可預(yù)估資產(chǎn)、隱性資產(chǎn)與財務(wù)信息進(jìn)行統(tǒng)計核對。利用高效能對成本進(jìn)行控制能避免浪費(fèi)，降低成本，提高有效利用率。

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(jìn)行沖擊試驗(yàn)后，試樣的沖擊韌性較差，脆性較大，斷口較平整，如圖2所示。

因指標(biāo)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(shù)據(jù)類型的統(tǒng)一，將所有指標(biāo)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(biāo)量綱的影響，對已經(jīng)正向化的數(shù)據(jù)矩陣進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，標(biāo)準(zhǔn)化后的數(shù)據(jù)如表5所示。

牽犬，李斯之嘆；聽鶴，陸機(jī)領(lǐng)成都眾大敗后，云“思聞華亭鶴唳，不可復(fù)得”。[注] 《宋書》卷六十七《謝靈運(yùn)傳》，第1755頁。

3.2.2 鼠和狗的主動脈腔靜脈瘺模型 模型優(yōu)點(diǎn)是該模型適用于所有動物，具有高度可復(fù)制性；缺點(diǎn)是這類疾病在人類身上發(fā)生率很低[23-26]。

蔥可調(diào)和腥膻等油膩厚味，并能產(chǎn)生特殊香味，刺激食欲。在冬季適當(dāng)進(jìn)食大蔥，還可在一定程度上利用蔥的抑菌作用，降低呼吸道和腸道感染的風(fēng)險。

1.前往西藏的道路：從都蘭出發(fā)，西至格爾木，再正南行，相繼經(jīng)過昆侖山口、安多、那曲，通往拉薩，并經(jīng)過拉薩前往印度。

1991年12月25日，弊病叢生的蘇維埃社會主義共和國聯(lián)盟被當(dāng)做龐然怪物合力打倒了。但勝利的歡呼還沒有散盡，痛苦卻比自由更早更真實(shí)地到來了。七十余年的社會主義奮斗史驟然被判為虛妄，無數(shù)“真相”爭相出來證明昔日理想的絕對荒謬，而被詛咒了一個世紀(jì)的資本主義和超級市場卻成了正道。“蘇聯(lián)人”面臨的困境大體有：

2) 節(jié)能環(huán)保。我國船舶帶來的大氣污染主要來自于含硫量較高的燃油。按照IMO《防止船舶污染國際公約》的規(guī)定，遠(yuǎn)洋船舶燃油含硫量最高不超過3.5%，但這已是國產(chǎn)柴油標(biāo)準(zhǔn)含硫量上限0.005%的700倍。內(nèi)河船舶使用燃油沒有強(qiáng)制性標(biāo)準(zhǔn)。在船舶設(shè)計過程中，應(yīng)合理使用節(jié)能減排技術(shù)，特別是空調(diào)系統(tǒng)作為客滾船上的主要耗能設(shè)備之一，更要在設(shè)計上加入節(jié)能方法。

4.2 極差與方差分析

（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(yōu)組合為

，即激光功率140 W、掃描速度702.5 mm/s、鋪粉厚度0.03 mm。

試驗(yàn)采用正交試驗(yàn)法分析SLM打印機(jī)的工藝參數(shù)對H13鋼粉末的成型性能的影響，試驗(yàn)主要考察3個因素，分別為激光功率（

/W）、掃描速度（

/mm·s

）、鋪粉厚度（

/mm）。正交試驗(yàn)法選取的3個工藝參數(shù)的區(qū)間分別為[140,185]、[500,905]、[0.03,0.05]，掃描間距

固定為0.07 mm，并采用

9（3

）的正交試驗(yàn)表，選定參數(shù)的正交試驗(yàn)水平數(shù)值如表3所示。

從圖3（b）可知：在同一組正交試驗(yàn)的情況下，頂面的硬度總體上高于側(cè)面；

、

的硬度高于

、

；

、

的硬度較差，且2個面硬度較近。

（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(yōu)組合為

，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(yōu)組合為

，即激光功率185 W、掃描速度702.5 mm/s、鋪粉厚度0.04 mm。

試樣成型后等待成型腔內(nèi)冷卻至室溫，將成型腔內(nèi)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(nèi)取出，用線切割將基板與試樣進(jìn)行分離。

（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(yōu)組合為

，即激光功率140 W、掃描速度702.5 mm/s、鋪粉厚度0.03 mm。

對SLM設(shè)備的工藝參數(shù)與H13鋼各項(xiàng)性能的數(shù)據(jù)進(jìn)行極差與方差分析，其結(jié)果如圖4所示，柱狀圖表示極差分析,

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。

4.3 相關(guān)性檢驗(yàn)

為探究各個因素、性能之間的線性相關(guān)性，先繪制散點(diǎn)圖（見圖5）進(jìn)行觀察和判斷。

通過圖5初步得出結(jié)論：鋪粉厚度與硬度、尺寸精度、綜合性能有較強(qiáng)的線性相關(guān)性，且為負(fù)相關(guān)，即鋪粉厚度越大，尺寸精度與綜合性能越差。

為驗(yàn)證上述結(jié)論的可靠性，但因其數(shù)據(jù)不滿足正態(tài)分布檢驗(yàn)，不采用皮爾遜相關(guān)系數(shù)檢驗(yàn)，轉(zhuǎn)用斯皮爾曼相關(guān)系數(shù)檢驗(yàn)，檢測結(jié)果如表6所示。

10 mm正方體試樣的示意圖如圖3（a）所示，

軸方向?yàn)榧す鈷呙璺较颍渲写怪庇?/p>

軸的面分別為

、

即平面

，垂直于

軸的面分別為

、

即平面

，；對試樣不同表面（除底面外）進(jìn)行硬度檢測，并記錄其測量數(shù)據(jù)，繪制折線圖，如圖3（b）所示。

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(fù)相關(guān)性，與硬度的相關(guān)性較弱；其他自變量與因變量的相關(guān)性相對較弱。

5 結(jié)束語

正交試驗(yàn)所選取的工藝參數(shù)范圍內(nèi)，利用SLM技術(shù)制備了H13鋼試樣，得出的結(jié)論如下。

（1）成型后的試樣中，頂面的硬度約45 HRC，最高達(dá) 57 HRC，且高于側(cè)面，

、

的硬度優(yōu)于

、

；

、

硬度較為接近，且硬度最差。

（2）表面粗糙度

值最小達(dá)到5.7 μm，總體上在8.53 μm左右；沖擊韌性數(shù)值總體較小，沖擊韌性較差，表現(xiàn)出明顯的脆性；試樣尺寸總體偏大，最小偏差為0.02 mm，尺寸均值為10.09 mm，相對精度誤差為0.9%。

（3）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，最佳組合是

；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，最優(yōu)的組合為

；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，最優(yōu)的組合為

。

（4）對于H13鋼的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，最佳組合是

，即在工藝參數(shù)中激光功率為140 W，掃描速度為702.5 mm/s，鋪粉厚度為0.03 mm成型的H13鋼性能相較于其他參數(shù)會更優(yōu)。

（5）鋪粉厚度對硬度、尺寸精度、綜合性能的影響最大；掃描速度對表面粗糙度、沖擊韌性影響最大。

（6）對全局參數(shù)進(jìn)行斯皮爾曼相關(guān)系數(shù)檢驗(yàn)，得出除鋪粉厚度對尺寸精度、綜合性能有較為明顯的負(fù)線性相關(guān)關(guān)系外，其他參數(shù)間的線性關(guān)系并不明顯。

[1]胡美娟,吉玲康,馬秋榮,等.激光增材制造技術(shù)及現(xiàn)狀研究[J].石油管材與儀器,2019,5(5):1-6.

[2]李宏棋.激光增材制造技術(shù)及其應(yīng)用[J].科教導(dǎo)刊(中旬刊),2019(35):47-48,86.

[3]王 銳,趙芳芳,萬楚豪.激光選區(qū)熔化增材制造技術(shù)的研究進(jìn)展[J].武漢船舶職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報,2019,18(1):111-117.

[4]陳瑩瑩,肖志瑜,李上奎,等.3D打印用金屬粉末的制備技術(shù)及其研究進(jìn)展[J].粉末冶金工業(yè),2018,28(4):56-61.

[5]覃思思,余 勇,曾歸余,等.3D打印用金屬粉末的制備研究[J].粉末冶金工業(yè),2016,26(5):21-24.

[6]樊 鵬.金屬零件3D打印技術(shù)現(xiàn)狀及應(yīng)用[C].2017年第七屆全國地方機(jī)械工程學(xué)會學(xué)術(shù)年會暨海峽兩岸機(jī)械科技學(xué)術(shù)論壇論文集,2017:697-700.

[7]吳曉春,左鵬鵬.國內(nèi)外熱作模具鋼發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢[J].模具工業(yè),2013,39(10):1-9.

[8]李 偉.金屬催化劑3D打印制備技術(shù)與性能研究[D].北京:北京化工大學(xué),2020:1-7.

[9]徐錦崗,陳 勇,陳 輝,等.工藝參數(shù)對H13鋼激光選區(qū)熔化成型缺陷的影響[J].激光與光電子學(xué)進(jìn)展,2018,55(4):283-289.

[10]陳 峰.H13鋼激光熔覆工藝參數(shù)優(yōu)化研究[D].常州:江蘇理工學(xué)院,2017:1-9.

[11]渠體健,陸曉峰,朱曉磊.H13鋼激光熔覆組織的力學(xué)性能正交化研究[J/OL].熱加工工藝,2021(16):99-103[2021-07-15].https://doi.org/10.14158/j.cnki.1001-3814.20182836.