金屬積層製造參數對麻時效鋼機械性能影響

前言

壓鑄由於單位成本低和週期時間短而被廣泛用於批量生產部件的工法。金屬熔湯透過高壓注入模腔，因此模腔必須承受壓力和溫度，這對模具的製造品質和材料性能提出了嚴格的要求[1]。最常用的模具材料是H-13熱作工具鋼，以其高溫下的高強度而聞名。對於積層製造，可以使用麻時效鋼粉末，因其具有優異的機械性能而聞名，具有高強度、硬度、延展性、抗衝擊性、疲勞極限和耐磨性而廣泛應用於壓鑄行業模具。而麻時效鋼特別應用於金屬積層製造，因其具有優異的成形性、焊接性，使其成為積層製造流程首選[2]。

積層製造(Additive Manufacturing, AM)，是一種革命性的製造方法，它透過逐層堆疊材料來建構幾何物件。其多功能性擴展到各個領域，包括了航空航太、模具業、汽車製造業、建築業和醫療行業等都有廣泛的應用[3-4]。其主要優勢具有幾何形狀設計靈活性，能夠輕鬆生產複雜的幾何形狀，如內部空腔、曲面、蜂窩、晶格等，進而實現傳統製造技術難以製造的複雜設計[5-6]。金屬積層製造可以3D 列印製造金屬物件，對於生產使用傳統方法難以或不可能製造的複雜零件特別有價值。不銹鋼、鈦、鋁、銅等金屬均可用於金屬積層製造，為各種應用提供多功能性和耐用性[7-8]。

金屬積層製造的材料容易受到製程中的各種變數條件影響，進而出現不同的機械性能，尤其是雷射粉末床熔融技術更具複雜性，在雷射粉末床熔融系統中有數十個條件參數。考量到積層製造的使用廣泛性，不可能有一個完全最佳化的單一參數能針對所有使用需求、材料性能和生產效率。因此本文研究壓鑄模具材料透過金屬積層製造後之機械性能，使用雷射粉末床熔融(Laser Powder Bed Fusion, L-PBF)技術加工麻時效鋼粉末，以研究其透過金屬積層製造中不同製程參數條件下的機械性能，包括: 金屬緻密度、表面粗糙度、機械性能，並特別為壓鑄模具應用，進行時效硬化熱處理，比較熱處理前後的機械性能變化。

研究方法

本文旨在積層製造壓鑄模具應用，優化積層製造麻時效鋼的製程參數，同時使用大氣回火爐對樣本進行時效硬化處理。製程參數設計參考金屬3D 列印廠商提供的列印參數進行設計。實驗採用全因子實驗方法，4個控制因子，包括雷射功率(160、180、220 W)、雷射掃描速度(1900、2000、2100 mm/s)、掃描中心間距(0.04、0.06mm)以及是否進行熱處理(590℃／4hr)。其中，雷射功率和雷射掃描速度各有三個水準，其他因子則各有兩個水準，共計3×3×2×2=36種組合。其他參數保持固定，包括雷射光束直徑為70 μm、粉末層厚度30 μm、粉末顆粒大小約為20 μm。所使用的粉末材料為麻時效鋼，該材料與1.2709 麻時效鋼具有相同的特性。

實驗使用Olympus LEXT OLS5100 雷射共軛聚焦顯微鏡對，未經任何加工處理的積層製造樣本進行表面粗糙度測量。使用Precisa 自動內校精密天平 360ES-M 型號ES2220M 透過阿基米德沉水法量測樣本密度。使用Mitutoyo HR200洛氏硬度試驗機量測樣本硬度，設備荷重設定為150 kgf(適用硬度HRC：10~70)，量測壓頭為120°之鑽石圓錐角。