18Ni300模具鋼SLM成型工藝研究

摘要：18Ni300模具鋼作為一種高性能模具材料，具有較強(qiáng)的耐熱性、耐磨性及抗腐蝕性。運(yùn)用選擇性激光熔化技術(shù)，可通過(guò)計(jì)算機(jī)模型制造出復(fù)雜且精細(xì)的模具零件，從而縮短生產(chǎn)周期，降低生產(chǎn)成本。對(duì)不同工藝參數(shù)下18Ni300模具鋼選擇性激光熔化成型件進(jìn)行致密度測(cè)量與計(jì)算得知，激光功率250W、掃描速度1000mm/s、掃描間距0.1mm及鋪粉厚度0.04mm的工藝參數(shù)組合，可實(shí)現(xiàn)高致密度的成型效果。

關(guān)鍵詞：選擇性激光熔化18Ni300模具鋼激光功率掃描速度

中圖分類(lèi)號(hào)：TF124

ResearchontheSLMFormingProcessof18Ni300MoldSteel

LIHai’anLICheng

LiuzhouPolytechnicUniversity，Liuzhou，GuangxiZhuangAutonomousRegion，545000China

Abstract：The18Ni300moldsteel，asahigh-performancemoldmaterial，hasstrongheatresistance，wearresistance，andcorrosionresistance.ByusingSelectiveLaserMelting（SLM）technology，complexandfinemoldpartscanbemanufacturedthroughcomputermodels，therebyshorteningtheproductioncycleandreducingproductioncosts.ThroughdensitymeasurementandcalculationofSLMformedpartsof18Ni300moldsteelunderdifferentprocessparameters，itwasfoundthattheprocessparametercombinationoflaserpowerof250W，scanningspeedof1000mm/s，scanningspacingof0.1mm，andpowderspreadingthicknessof0.04mmcanachievehighdensityformingeffect.

KeyWords：Selectivelasermelting;18Ni300moldsteel;Laserpower;Scanningspeed

促進(jìn)選擇性激光熔化（Selectivelasermelting，SLM）技術(shù)在模具制造業(yè)的高效應(yīng)用，可以有效帶動(dòng)制造工業(yè)的發(fā)展。在18Ni300模具鋼的SLM成型過(guò)程中，成型件質(zhì)量的穩(wěn)定性及一致性受到材料特性、工藝參數(shù)等因素的影響[1]。傳統(tǒng)模具存在著加工方法周期長(zhǎng)、成本高、材料利用率低等問(wèn)題。為提高成型質(zhì)量和效率，需要分析影響成型件致密度的關(guān)鍵因素，優(yōu)化成型工藝，提高成型件的致密度及力學(xué)性能。

1實(shí)驗(yàn)設(shè)備

在對(duì)18Ni300模具鋼SLM成型工藝的研究中，以先進(jìn)的SLM技術(shù)為依托，所選設(shè)備應(yīng)滿(mǎn)足高精度激光系統(tǒng)、動(dòng)態(tài)鋪粉裝置以及智能控制系統(tǒng)需求，能對(duì)高精度、高效率金屬零件成型給予便利。再者，應(yīng)將激光功率范圍控制在175～500W范圍以?xún)?nèi)，掃描速度最快達(dá)到2500mm/s，成像空間為250mm×250mm×410mm。該設(shè)備還應(yīng)具備實(shí)時(shí)監(jiān)控與數(shù)據(jù)分析的功能，以便對(duì)成型過(guò)程中的溫度、熔池形態(tài)等關(guān)鍵信息進(jìn)行及時(shí)反饋，為成型參數(shù)優(yōu)化給予支撐。在實(shí)驗(yàn)中，原料選用平均粒徑為30～50μm的18Ni300模具鋼粉末，借助專(zhuān)用設(shè)備進(jìn)行SLM成型。通過(guò)多次成型實(shí)驗(yàn)，尋找可保證成型件具有較高致密度與力學(xué)性能的相關(guān)參數(shù)。

2各工藝參數(shù)對(duì)成型件致密度的影響規(guī)律分析

2.1激光功率對(duì)致密度的影響

在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，對(duì)不同激光功率進(jìn)行設(shè)定，分別為150W、200W、250W、300W和350W，使掃描速度、掃描間距等參數(shù)在此期間保持不變。通過(guò)對(duì)每個(gè)激光功率水平下成型樣品進(jìn)行密度測(cè)量，發(fā)現(xiàn)激光功率對(duì)成型件致密度的影響有一定的規(guī)律。當(dāng)激光功率較低，如設(shè)定為150W時(shí)，因能量輸入不足，粉末顆粒之間將出現(xiàn)熔化不完全的情況，導(dǎo)致成型件中存在較多未熔合孔隙，致密度較低。在激光功率增加到250W或是300W時(shí)，能量輸入將有所增加，粉末顆粒間熔化更加充分，未熔合孔隙減少，成型件致密度也會(huì)發(fā)生變化。當(dāng)激光功率達(dá)到350W時(shí)，能量輸入過(guò)大，將導(dǎo)致熔池過(guò)大且不穩(wěn)定，極易產(chǎn)生飛濺或球化現(xiàn)象，使成型件致密度有所降低。當(dāng)激光功率為250W時(shí)，18Ni300模具鋼SLM成型件的致密度可達(dá)到最高值，平均密度接近理論值，這表明適當(dāng)?shù)募す夤β适菍?shí)現(xiàn)高致密度成型的主要因素。

2.2掃描速度對(duì)致密度的影響

在實(shí)驗(yàn)中，應(yīng)保證激光功率、粉末層厚度等其他參數(shù)不變，只對(duì)掃描速度進(jìn)行調(diào)整，并設(shè)定4個(gè)不同掃描速度，分別為1000mm/s、1500mm/s、2000mm/s及2500mm/s。在此基礎(chǔ)上，對(duì)每個(gè)掃描速度下成型樣品進(jìn)行致密度測(cè)量。當(dāng)掃描速度較低，為1000mm/s時(shí)，激光束在粉末表面的停留時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)，粉末顆粒有充足的時(shí)間熔化并得到融合，使成型件致密度數(shù)值較高。但在掃描速度不斷增加的情況下，激光束停留時(shí)間也會(huì)縮短，粉末顆粒的熔化變得不完全，導(dǎo)致成型件中出現(xiàn)更多的未熔合孔隙，使得致密度逐漸下降。但掃描速度過(guò)快，在2500mm/s時(shí)，粉末顆粒熔化程度也會(huì)受到影響，成型件內(nèi)部將出現(xiàn)大量未熔合區(qū)域，出現(xiàn)致密度急劇下降的情況。當(dāng)掃描速度為1000mm/s時(shí)，18Ni300模具鋼SLM成型件的致密度將處于最佳狀態(tài)。這就充分說(shuō)明，在適當(dāng)?shù)膾呙杷俣认拢蓪?shí)現(xiàn)粉末顆粒充分熔化與緊密結(jié)合，能夠獲得高致密度成型件。

2.3掃描間距對(duì)致密度的影響

在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)，保持激光功率及掃描速度等其他參數(shù)不變，僅對(duì)掃描間距做出適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，可設(shè)定0.05mm、0.10mm、0.15mm和0.20mm這4個(gè)不同水平。在此基礎(chǔ)上，對(duì)每個(gè)掃描間距下成型的樣品進(jìn)行致密度測(cè)量。當(dāng)掃描間距為0.05mm時(shí)，激光束掃描軌跡將更加密集，粉末顆粒之間熔化也會(huì)更加充分，使成型件致密度得到提升。但隨著掃描間距持續(xù)增加，激光束掃描軌跡也會(huì)逐漸稀疏，粉末顆粒之間的熔化也會(huì)出現(xiàn)不完全情況，導(dǎo)致成型件中出現(xiàn)大量未熔合孔隙，致使密度逐漸下降。但當(dāng)掃描間距過(guò)大，在0.15mm時(shí)，激光束掃描軌跡之間重疊區(qū)域?qū)p少，粉末顆粒之間結(jié)合也會(huì)受限，在成型件內(nèi)部會(huì)出現(xiàn)大量未熔合區(qū)域，致使密度快速降低。當(dāng)掃描間距為0.10mm時(shí)，18Ni300模具鋼SLM成型件的致密度會(huì)達(dá)到最佳狀態(tài)，表明適當(dāng)掃描間距可保證激光束掃描軌跡之間有足夠的重疊區(qū)域，從而實(shí)現(xiàn)粉末顆粒的充分熔化和緊密結(jié)合，獲得高致密度的成型件。

2.4鋪粉厚度對(duì)致密度的影響

在實(shí)驗(yàn)操作中，保證激光功率、掃描速度和掃描間距等其他參數(shù)不變，僅對(duì)鋪粉厚度進(jìn)行調(diào)整，并將其設(shè)置為0.04mm、0.06mm、0.08mm及0.10mm這4個(gè)不同水平，并對(duì)每個(gè)鋪粉厚度下成型的樣品進(jìn)行致密度測(cè)量。當(dāng)鋪粉厚度較薄，為0.04mm時(shí)，每一層粉末材料堆積更加緊密，激光束對(duì)粉末熔化的作用也更加均勻，使得成型件致密度相對(duì)較高。在鋪粉厚度不斷增加的情況下，粉末層之間的結(jié)合會(huì)對(duì)緊密性產(chǎn)生影響，成型件中將出現(xiàn)更多孔隙及未熔合區(qū)域，出現(xiàn)致密度逐漸下降的現(xiàn)象。當(dāng)鋪粉厚度過(guò)厚，為0.10mm時(shí)，激光束難以充分穿透粉末層，導(dǎo)致熔化不完全和層間結(jié)合力減弱，成型件的致密度明顯降低。為此，適當(dāng)鋪粉厚度可確保粉末層之間緊密結(jié)合與均勻熔化效果，從而獲得高致密度成型件。各工藝參數(shù)對(duì)成型件致密度影響的規(guī)律分析如表1所示。

3結(jié)果與討論

3.1致密度計(jì)算結(jié)果分析

根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，隨著激光功率的增加，致密度先升后降，表明過(guò)高的能量輸入會(huì)導(dǎo)致熔池不穩(wěn)定，降低成型質(zhì)量。掃描速度的增加則會(huì)導(dǎo)致密度逐漸下降，因?yàn)檫^(guò)快的掃描速度使得粉末顆粒的熔化不完全。掃描間距和鋪粉厚度的增加同樣會(huì)導(dǎo)致密度下降，這是因?yàn)槠湓龃罅朔勰╊w粒間距，減少了熔化與結(jié)合的可能性[2]。在運(yùn)用SLM技術(shù)成型18Ni300模具鋼時(shí)，激光功率250W、掃描速度1000mm/s、掃描間距0.10mm以及鋪粉厚度0.04mm，可使成型件的致密度達(dá)到最高值，且與理論致密度較為相近，表明粉末顆粒得到充分熔化與緊密結(jié)合，成型件內(nèi)部孔隙及未熔合區(qū)域極小。在實(shí)際生產(chǎn)中，還需對(duì)設(shè)備狀態(tài)、材料批次差異等因素給予充分考慮，以確保成型質(zhì)量穩(wěn)定性與一致性不受影響。

3.2灰度理論分析

灰度理論作為一種多目標(biāo)決策分析方法，主要應(yīng)用于信息不完全、不確定的復(fù)雜系統(tǒng)問(wèn)題中[3]。在SLM成型工藝中，以18Ni300模具鋼為例，運(yùn)用灰度理論對(duì)激光功率、掃描速度、掃描間距和鋪粉厚度這4個(gè)關(guān)鍵工藝參數(shù)進(jìn)行分析。通過(guò)構(gòu)建灰度決策體系，將各個(gè)參數(shù)不同水平作為決策方案，將致密度作為決策目標(biāo)，憑借專(zhuān)家打分與數(shù)據(jù)分析，將各個(gè)參數(shù)水平對(duì)致密度權(quán)重的影響及其程度進(jìn)行有效確定。在激光功率為250W、掃描速度為1000mm/s、掃描間距為0.10mm以及鋪粉厚度為0.04mm的條件下，成型件的致密度將達(dá)到最高值。根據(jù)灰度理論的分析，這一組合方案為最優(yōu)選?；叶壤碚撨€可對(duì)實(shí)際生產(chǎn)中的不確定性及模糊性進(jìn)行分析，為決策提供更加全面及準(zhǔn)確的信息支持[4]。

3.3致密度與激光能量密度

在SLM成型18Ni300模具鋼的過(guò)程中，對(duì)激光功率及掃描速度進(jìn)行逐級(jí)調(diào)整，對(duì)激光能量密度變化情況進(jìn)行詳細(xì)記錄，并對(duì)每個(gè)條件下成型件進(jìn)行致密度測(cè)量。隨著激光能量密度不斷增加，成型件致密度呈現(xiàn)出先增加后減小的變化趨勢(shì)。在較低激光能量密度下，因能量輸入不足，粉末顆粒之間的熔化不完全，導(dǎo)致成型件中存在大量的未熔合孔隙，致密度較低。但在激光能量密度不斷增加的情況下，粉末顆粒得到更加充分的熔化，出現(xiàn)未熔合孔隙減少，致密度逐漸提高的情況。但在激光能量密度過(guò)高時(shí)，也會(huì)出現(xiàn)熔池過(guò)大且不穩(wěn)定狀態(tài)，將引發(fā)飛濺和球化現(xiàn)象，反而降低成型件致密度。對(duì)于18Ni300模具鋼來(lái)講，當(dāng)激光能量密度在30～40J/mm3之間時(shí)，成型件的致密度在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)，對(duì)成型質(zhì)量有一定的保證。

3.4微觀孔洞

通過(guò)高精度三維顯微鏡及掃描電子顯微鏡，可明確了解成型件內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)，并對(duì)孔洞的數(shù)量、尺寸和分布進(jìn)行精確測(cè)量。通過(guò)高分辨率的顯微鏡觀察，可明確SLM成型件中的微觀孔洞主要分布在粉末顆粒邊界處，孔洞的形成與激光熔化過(guò)程中不完全熔化、氣體夾雜以及熱應(yīng)力等因素有直接關(guān)聯(lián)[5]。當(dāng)微觀孔洞的數(shù)量較少且大小均勻時(shí)，成型件致密度較高，但隨著孔洞數(shù)量的增加和尺寸的增大，成型件致密度將明顯下降，當(dāng)孔洞數(shù)量超過(guò)一定的閾值時(shí)，導(dǎo)致密度下降趨勢(shì)降低得更加明顯。當(dāng)掃描間距過(guò)大時(shí)，激光束與粉末交互作用將受到影響，出現(xiàn)孔洞增多的情況，而鋪粉厚度過(guò)厚則將導(dǎo)致層間結(jié)合不良，從而增加孔洞的數(shù)量。為減小微觀孔洞的影響，應(yīng)提高激光功率、調(diào)整掃描速度及掃描間距，通過(guò)參數(shù)優(yōu)化來(lái)使微觀孔洞數(shù)量與尺寸得到有效控制，使成型件致密度有所提升[6]。

4結(jié)語(yǔ)

工藝參數(shù)對(duì)成型件致密度有直接的影響，在確定參數(shù)范圍之時(shí)，要結(jié)合具體需求及生產(chǎn)環(huán)境進(jìn)行綜合考慮，給予優(yōu)化調(diào)整，以提高成型質(zhì)量和效率，從而推動(dòng)SLM技術(shù)在模具制造領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。通過(guò)合理工藝參數(shù)的選擇和優(yōu)化，可實(shí)現(xiàn)18Ni300模具鋼SLM成型件的高致密度與良好力學(xué)性能，為實(shí)際應(yīng)用提供mU8eiwWeXr9ZXJrCL+HYCy4Swm35IPTu/azyJkBfeQM=便利，促進(jìn)制造工業(yè)的進(jìn)步。

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