基于SLM的18Ni-300模具钢工艺参数优化

朱逸韬，黄卫东，张伟杰，陈侠宇，赖章鹏

(福建工程学院 机械与汽车工程学院，福建 福州 350118)

激光选区熔化(selective laser melting, SLM)是一种利用高能量激光束逐层选择性地熔化金属粉末，通过逐层铺粉，逐层熔化凝固堆积的方式，制造三维实体零件的快速成型技术[1-2]。而在实际的成型过程中，成型工艺参数选择不当时，会造成成型件的缺陷，如孔隙、裂纹、翘曲、未融化颗粒等[3-4]，从而影响最终的成型质量。因此，SLM成型过程中工艺参数的合理选取，对于保证成型件的质量具有重要意义[5]。

对于SLM成型工艺参数与成型件性能之间的关联，国内外的学者都做了一定的研究。Ferreira[6]等研究了扫描速度对18Ni-300模具钢成型件孔隙率和力学性能的影响；程博[7]等研究了激光功率和扫描速度对18Ni-300模具钢成型件成型性能的影响规律；杨立军[8]等研究了工艺参数对316L合金SLM成型件致密度和硬度的影响；马英怡[9]等研究了扫描速度对316L合金SLM成型件的性能的影响；Campanelli[10]等研究了工艺参数对18Ni-300模具钢SLM成型件致密度的影响；魏富涛[11]等研究了工艺参数对18Ni-300模具钢SLM成型件相对密度和力学性能的影响。

综上所述，国内外学者针对SLM成型18Ni300模具钢的致密度和力学性能做了一定的研究，但较少从激光功率、扫描速度、扫描间距、铺粉厚度等4个因素研究18Ni-300模具钢SLM成型件致密度的影响规律。本实验采用正交实验法，探索SLM成型工艺参数对18Ni300模具钢成型件致密度的影响规律，并确定最优工艺参数组合。

1 实验设备和方法

1.1 实验设备

本实验设备选用德国SLM solutions公司出厂的型号为SLM 125 HL的金属打印机，其光斑直径可选范围为70～100 μm。实验材料为SLM Solution公司生产的18Ni300模具钢粉末，其粒径范围为5～55 μm。表1为实验中使用的18Ni300模具钢粉末的化学成分。图1为18Ni300模具钢粉末形貌及粉末粒径。成型粉末在80 ℃下真空烘干8 h。成型基板材料为45钢。

表1 18Ni-300模具钢粉末化学成分Tab.1 Chemical composition of 18Ni-300 tool steel powder

图1 18Ni-300模具钢粉末 Fig.1 18Ni-300 tool steel powder

1.2 测量方法及设备

样件先用丙酮清洗，再用无水乙醇清洗，真空烘干后根据阿基米德排水法，使用Mettler Toledo ME204E分析天平确定SLM样品的致密度。对样品的横截面进行打磨、抛光，使用Hitachi TM3030plus台式扫描电子显微镜观察样件的微观结构。

1.3 实验设计

本实验使用了4个工艺参数，采用4因素4水平正交试验设计，如表2所示。本实验制备10 mm×10 mm×10 mm的立方体样品用于检测致密度。

表2 工艺参数Tab.2 Process parameters

2 实验结果

2.1 实验结果

16个成型件样品的实验测量结果如表3所示。接下来对实验结果进一步统计分析。

表3 样品测量结果Tab.3 Sample measurement results

2.2 极差分析

采用正交实验的极差分析法对实验结果进行分析。计算K值，即为同一因素同一水平的情况下，所代表的实验测量结果之和。在计算同一因素不同水平的K值时，K值结果为最大，则表示该因素在这一水平所代表的工艺参数为最优。经计算，激光功率为260 W，扫描速度为500 mm/s，扫描间距为0.11 mm，铺粉厚度为0.02 mm时，K值为最大，分别为395.79，392.70，395.15，393.06。在计算同一因素不同水平的K值时，得到K最小值，将同一因素的K最大值与K最小值相减，可以得到极差R。经计算，激光功率、扫描速度、扫描间距、铺粉厚度这4个因素的R值分别为18.02、8.17、9.79、8.66。对比R的数值大小，可以得到实验因素对实验结果影响的排序为激光功率、扫描间距、铺粉厚度、扫描速度。

2.3 方差分析

方差分析法可以反映出每一个工艺参数对检测指标的影响程度。首先计算总离差平方和为98.06。计算各因素及误差引起的离差平方和，激光功率、扫描速度、扫描间距、铺粉厚度4因素的离差平方和分别为50.71、11.18、23.52、10.41，误差离差平方和为2.24。接下来计算自由度，总自由度为15。随后计算均方，分别得到激光功率、扫描间距、铺粉厚度、扫描速度的均方为16.90、3.73、7.84、3.47，误差的均方为0.75。最后将各因素的均方除以误差均方得到激光功率、扫描速度、扫描间距、铺粉厚度的检验值，分别为22.64、4.99、10.50、4.65。由此可知激光功率、扫描间距对成型件的致密度影响显著，而扫描速度、铺粉厚度影响不显著。

2.4 验证实验

通过上述分析可知，最优工艺参数组合为激光功率260 W、扫描速度500 mm/s、铺粉厚度0.02 mm、扫描间距0.11 mm，应用此工艺参数组合进行18Ni-300模具钢粉末SLM成型实验，得到的成型件致密度为99.99%，优于所有上述工艺参数组合的样件。

3 各工艺参数对成型件致密度影响规律分析

通过对实验数据处理，得到如图2所示的各个工艺参数对成型件致密度的影响规律趋势图。

3.1 激光功率对致密度的影响

由图2(a)可看出，激光功率从180 W增加到300 W时，成型件的致密度呈现先增大后减小的趋势。图3(a)是激光功率为180 W时，成型件剖面形貌图，从图中可以看出，成型件内部存在孔隙。在激光功率较低时，粉末接收到的能量不足，粉末无法充分熔化，熔体流动性不足从而导致熔体在熔道内的铺展质量较差，熔池连续性差。此时成型件内部出现较多的孔隙，致密度低。图3(b)为激光功率为260 W时，成型件剖面形貌图，从图中可以看出，成型件成型质量较好，致密度高。激光功率持续增加到300 W，此时激光功率过大，粉末接收的能量过多，熔池内出现大量的金属蒸汽，并使得粉末产生严重的飞溅现象，导致熔池中的液相金属无法充分铺展到整个熔道，如图4所示。此时，熔池内出现孔洞，同时大量的飞溅物落在成型面上，从而致密度下降，此时成型件剖面形貌图如图3(c)所示。因此，选择合适的激光功率能够提高成型件的致密度。

图2 工艺参数对成型件致密度的影响规律Fig.2 Effects of process parameters on the density of molded parts

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

图4 熔池内粉末飞溅行为示意图Fig.4 Schematic diagram of powder splash behavior in the molten pool

3.2 扫描速度对致密度的影响

由图3(b)可以看出，扫描速度在500 mm/s～1 100 mm/s时，成型件的致密度呈现持续下降的趋势。在激光扫描的过程中，扫描速度影响激光在粉末上的停留时间。激光在粉末上停留的时间比较合适时，粉末熔化和液相铺展充分，所以在实验扫描速度为500 mm/s时，成型件的致密度高。随着扫描速度逐渐增加，激光在粉末上停留的时间减少，粉末熔化加快，熔池的冷却速率增加。当扫描速度过高时，激光在粉末上作用的时间过短，此时熔池中粉末吸收的能量不足以使其熔化，熔池变窄，液相形成较少且流动能力不足，无法铺展整个熔池，并在层与层间残留未熔化的粉末。因此在熔池中形成大量孔隙，降低了成型件的致密度。

3.3 扫描间距对致密度的影响

由图3(c)可以看出，扫描间距从0.08 mm增加到0.17 mm，致密度先增大后减小。扫描间距影响相邻熔道的搭接率。搭接率计算公式为：

(1)

W为熔池宽度，单位：mm；s为搭接宽度，单位mm；δ为扫描间距，单位：mm。由式(1)可知，搭接率随着扫描间距的增大而减小。当扫描间距过大时，熔道搭接率过小，会导致每一成型层内部的相邻熔道之间的粉末无法充分熔化，从而存在孔洞。在这种情况下层层结合，会导致层与层之间、熔池与熔池之间结合强度下降，同时致密度下降。当扫描间距过小时，导致熔道搭接率过大，搭接处获得大量的能量，出现过熔及金属蒸汽飞溅的情况，产生大量孔隙，降低成型件的致密度。在实验中，选用扫描间距为0.11 mm，成型件获得更好的致密度。

3.4 铺粉厚度对致密度的影响

由图2(d)可看出，铺粉厚度从0.02 mm增加到0.065 mm时致密度呈现持续减小的趋势。铺粉厚度选取合适，粉末熔融充分，并且激光可以透过粉末对上一层熔化成型的表面进行一次重熔，从而使其表面更为平整，使得每一层都可以得到良好的熔融质量，层层积累后，不易出现孔隙，成型件致密度较好。铺粉厚度的增加，使得粉末完全熔化需要的能量增多，但此时的能量无法使粉末完全熔化，如图5(a)所示。熔池中的液相金属在粉层底部未熔粉末作用下无法充分铺展或者出现断开现象，使得整个熔道出现间隙现象[12]。同时未熔粉末和飞溅物的层层堆积，造成凹陷和凸起等缺陷，如图5(b)所示。这些在SLM中常见的缺陷会导致成型件致密度的下降。

图5 熔池形貌图Fig.5 Topography of molten pool

4 结论

1)SLM成型18Ni-300模具钢粉末时，成型件的致密度与激光功率、扫描速度、扫描间距、铺粉厚度等工艺参数的选择有关。最优工艺参数组合是激光功率260 W、扫描速度500 mm/s、扫描间距0.11 mm、铺粉厚度0.02 mm。验证实验结果成型件的致密度为99.99%，均高于其他工艺参数组。

2)激光功率、扫描速度的大小影响激光能量密度和激光停留时间，从而影响成型件的致密度，两者要合理匹配，既要保证成型件的质量，又要尽可能地选择较大的扫描速度来提高成型效率。

3)扫描间距影响熔道的搭接率，从而影响搭接处粉末接收激光能量的大小及成型件的致密度。随着扫描间距增大，成型件致密度呈现先增大后减小的趋势。

4)铺粉厚度影响粉末熔化的深度，从而影响成型件的致密度，随着铺粉厚度增大，成型件致密度呈现逐步减少的趋势。