增材製造(3D打印)用金屬粉末評價（jià）指標

 

 

增材製造（3D打印）作（zuò）為一種新興的新一代先進製造技（jì）術，近年來發展迅速。然而，對於工業級金屬3D打印領域，粉末耗材（cái）仍是製約該技術規模化應用的重要因素之一。目前，國內尚未（wèi）製訂出金屬3D打印用材料標準、工藝規範、零件性能標準等行業標準或國標。業內對於金屬粉末的評價指標主要有化學成分（fèn）、粒（lì）度分布（bù）、粉末的球（qiú）形度、流動性、鬆（sōng）裝密度等。其中，化學成分、粒度分布是金屬3D打印（yìn）領域用（yòng）於評（píng）價金屬粉（fěn）末質量的常用指標，球形度（dù）、流動性、鬆裝密度可作（zuò）為評（píng）價質（zhì）量的參考指標。

 

1、化學（xué）成分

金屬粉末中各元（yuán）素實際所占的質量（liàng）百分比（wt.%）。

 

表（biǎo）1 316L不鏽鋼成分（fèn）

以上表為例，在該合金中Ni元素的檢測（cè）數據為（wéi）13.02，表示Ni元素在該合金所占的質量百分比為13.02%，其它元素質量百分比（bǐ）可以此類推。目前，金屬化（huà）學成分檢測應用最廣的方法（fǎ）是化學（xué）分析法和光譜分析法。化學分析法是（shì）利用化學反應來確定金屬（shǔ）的組成成分，可以實現（xiàn）金（jīn）屬化學（xué）成分的定性分析和定（dìng）量分析。光譜分析法是（shì）利用（yòng）金屬中各種元素在高溫、高能（néng）量的激發下（xià）產生（shēng）的自己特有（yǒu）的特征光譜來確定金屬的化學（xué）成分及大致含量，一般用於金屬化學成分（fèn）的定性分（fèn）析。以上兩種方法都要使用專業的檢測設備，由專業的檢測機構專業（yè）的人員（yuán）完成。

大部分鑄態、鍛造的金屬的（de）化學成分都有相應的行業標準或國（guó）標，以評價該（gāi）金屬的化學（xué）成分指標是否合格。然而，用（yòng）於金屬3D打印的粉（fěn）末技術新（xīn）穎，業內尚（shàng）無相應的行業標準或國標（biāo），業內通常認可的評價方法是沿用該金屬粉末對應的鑄態（tài）標準，或在該（gāi）標（biāo）準的基礎（chǔ）上雙方協商放寬指標要求。

對於金（jīn）屬3D打印而言，因為打印過程中金（jīn）屬重熔後，元素以液體形態存在，或者可（kě）能（néng）存在易揮發（fā）元素的揮發損失，且（qiě）粉末（mò）的（de）形（xíng）態存（cún）在（zài）衛星球、空心粉等問題，因此有可能在局部生成氣孔缺陷（xiàn），或者造成打印後的（de）零部件的成（chéng）分異於（yú）原始粉末或者母合金的成分，從而影響到工件的致密性及其力學性能。因此，對不同體（tǐ）係的金屬粉末（mò），氧含量（liàng）均為一項重要指標，以鈦合金（jīn）為例，業內對該指標的一般要求在1300~1500ppm，亦即氧元素在金屬中所占的質量百分比（bǐ）在0.13~0.15%之間。由於目前用於金屬3D打印的粉末製備技術主要以霧化法為主（包括超音速真空氣體霧化和旋轉電極霧（wù）化等技術），粉末存在大的比表麵積，容易產生氧化。因此粉末（mò）製備過程中要（yào）對氣氛進行嚴格（gé）控（kòng）製。在航空航天等特殊應用領域，客戶對（duì）此指標的要求更為（wéi）嚴格。部分客戶也要求控製氮含量指標，一般要求在500ppm以下，也即氮（dàn）元素在（zài）金屬中所占的質（zhì）量百分（fèn）比在0.05%以下。

2、粒度分布：

不同尺寸的（de）金屬粉末顆粒的在一定尺（chǐ）寸區（qū）間內所占的體積（jī）百分比的統計數據，一般情況下製備的粉末（mò）粒度分布呈正態分布。

以 上圖為例，金（jīn）屬（shǔ）粉末顆（kē）粒粒（lì）度分布結果（guǒ）中，d(10)=20.38μm，代表尺寸小於20.38μm的粉末體積所占（zhàn）比例（lì）不低於10%。同理可（kě）知，d(50)= 30.44μm，d(90)= 42.09μm，說明在該粉末中，尺寸小於42.09μm的粉末比例不低於50%，小於42.09μm的粉末比例不低於90%。

GBT 1480-2012 《金屬粉末 幹篩分法測定粒度》適用於大於45微米的粉（fěn）末顆粒，已不太能滿足金屬粉末粒度測試要求，目前粒度分析大多（duō）通過激光粒度分析儀（適用於0.1微米到2毫米（mǐ）的（de）粒度分布）分析，市麵上有馬爾文激光粒（lì）度儀，百特激光粒（lì）度儀，崛場激光粒度儀等，測試（shì）前需用類似粒度的標樣驗證（zhèng）適用性。目前金屬3D打印常用的粉末（mò）的粒度範圍是（shì）15~53μm（細粉），53~105μm（粗粉），部分場合（hé）下可放寬至105~150μm（粗粉（fěn）），分別對應（yīng）的顆粒目數範圍為：270~800目（細（xì）粉），140~270目（粗粉），100~270目（粗粉）。此粒度範圍是（shì）根據不同能量源的金屬打印（yìn）機劃分的，以激光（guāng）作為能量（liàng）源的打印機（jī），因其聚焦光斑精細，較易（yì）熔化細粉，適合使用（yòng）15~53μm的（de）粉（fěn）末作為耗材，粉末補給方式為逐層（céng）鋪粉；以（yǐ）等離（lí）子束作為能量（liàng）源的打印機，聚焦光斑（bān）略粗，更適於（yú）熔化（huà）粗（cū）粉，適合使用53~105μm為主，部分場合下105~150μm的粉（fěn）末作為耗材，粉末補給方式為同軸送粉。

3、球形度、鬆裝密度、流動性等參考指標

球形（xíng）度也就是金屬粉末（mò）顆粒接近球體的（de）程（chéng）度，一般通過掃描電（diàn）子顯微鏡（SEM）定性分析，也有人定義為在一定區域內球形粉末麵（miàn）積（jī）占總麵積的比（bǐ）率。上圖為不同金屬粉末的SEM形態照片（piàn），可以看出，左圖（tú）粉末顆粒的球形度要優於右圖粉末。一般而言，球形度佳，粉末顆粒的（de）流動性也比（bǐ）較好，在金屬3D打（dǎ）印時鋪粉及送粉更容易進行控製（zhì），更易獲得更高（gāo）打（dǎ）印質量的零部件。一般來說，等離子旋轉電極霧化技術（shù）製備的粉（fěn）末球形度比真空氣霧化技術製備的粉末要好（hǎo），但在製備合金粉末綜合（hé）性能方麵各有優（yōu）勢。

圖4 霍爾流速計裝置

流動性是指（zhǐ）以一定量金屬粉末顆粒流過規定孔徑（jìng）的量具所需要的時間，測試方（fāng）法參考GB/T 1482-2010或ISO 4490:2001《金屬粉末 流動性的測定 標準漏鬥法（霍爾流速計）》，通常（cháng）采用的單位（wèi）為s/50g，可以通過霍爾流（liú）速計測量，數值愈小說明該粉末的流動（dòng）性愈好。流動性也可以用休止角表征，休止角指在重力場中，顆粒在金屬粉末堆積層的自由斜麵上滑動時所受重力和粒子之間摩擦力達到平衡而處於靜（jìng）止（zhǐ）狀態下測得（dé）的最大角。這（zhè）是一種檢驗金屬粉末流動性的簡易方法（fǎ），休止角越（yuè）小，摩擦力越小，流（liú）動性（xìng）越好，越有利於鋪粉及送粉的進行。

鬆裝密度是直（zhí）接鋪粉得到的金屬粉末在一定體（tǐ）積（jī）內的質量，可以通過漏鬥法測量，參考GB/T 1479-2011 《金屬粉末（mò） 鬆裝密度（dù）的測（cè）定》。鬆裝密度僅作為參考指標，表征粉末在補給過程中堆垛密實程度，其對於金屬打印最終產品的密度影響尚無（wú）確論。