增材製造(3D打印)用金屬粉末評價指標_金(jīn)屬3D打印粉

點擊量:973 發布時間:2016-12-21 作者:快猫视频APP下载安装(上海)增材製造(zào)技術有(yǒu)限公司
增材製造(3D打印(yìn))用金屬粉末評價指標
 
 
增材製造(3D打印)作為一種新興的新一代先進製造技術,近年來發展迅速。然而,對於工(gōng)業級金屬3D打印領域,粉末耗材仍是製約該技術規模化應用的重(chóng)要因素之一。目前,國(guó)內尚(shàng)未製訂出(chū)金屬3D打印用材料標準、工藝(yì)規範、零件性能(néng)標準等行業標準或國標。業內對於金屬(shǔ)粉末的評價指標主要有化學成分、粒度分布、粉末的球形度、流動性、鬆裝密度等。其中,化學成(chéng)分、粒度(dù)分布是金屬3D打印領域用於評(píng)價金屬粉末質量的常用指標,球形度、流動性、鬆裝密度(dù)可作為評價質量(liàng)的參考指標(biāo)。
 
1、化學成分
金屬(shǔ)粉末中各元素實(shí)際所占的質量百分(fèn)比(wt.%)。
 
表1 316L不鏽鋼成分
以上表為例,在該合金中Ni元素的檢測數據為13.02,表示Ni元素在(zài)該合金所占的質量百分比為13.02%,其它元素質量百分比可以此類推。目前,金屬化學成分檢測應用最廣的方法是化學分析法和光譜分析法(fǎ)。化學分析法是利(lì)用化學反應來確定金(jīn)屬的組成成分,可以實現金屬化學成分的定性分析和定量分析。光譜分(fèn)析法是利(lì)用金屬中(zhōng)各種元素在高溫、高能量的激發下產生的自己特有的特征光(guāng)譜來確定金屬的化學成分及大致含量,一般用於金屬化學成分的定性分析。以上兩種方法都(dōu)要使用專業的檢測設備,由專業的檢測機構專業的人員(yuán)完成。
大部分鑄態、鍛(duàn)造的金屬的(de)化學成分都有相應的行業標準或(huò)國標(biāo),以評價該金屬的化(huà)學成分指標是否合格。然而,用於金屬3D打(dǎ)印的粉末技術新穎,業內尚無相(xiàng)應的(de)行業標準或國標,業內(nèi)通常認可(kě)的評價(jià)方法是沿用該金屬粉末對應的鑄態標準,或在該標準的基礎上雙方協商放寬指標要求。
對於(yú)金屬3D打印而言,因為打印過程中金屬重熔後,元素以液體形態存(cún)在,或者可能存在易揮發(fā)元素(sù)的揮發損失(shī),且(qiě)粉末的形態存在衛(wèi)星球(qiú)、空心粉等問題,因此(cǐ)有(yǒu)可能在(zài)局部生成氣孔缺陷,或者造成打印後的零部件(jiàn)的成分異於原始粉末或者母合(hé)金的成分,從而影響到(dào)工(gōng)件的致密性及其力學性能。因此,對不同體係的(de)金屬粉末,氧含量均為一項重要指標,以鈦合金為例,業(yè)內對該指標的一般要求在1300~1500ppm,亦即氧元素(sù)在金屬中所占的質量百分比在0.13~0.15%之間(jiān)。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(bāo)括超音速真空氣體霧化和旋轉電極霧(wù)化等技術(shù)),粉(fěn)末存在大的比表(biǎo)麵積,容易產生(shēng)氧化。因此粉(fěn)末製備過程中要對氣氛進行嚴格控製。在航空航天等特殊應用(yòng)領域,客戶對此指標的要求更為嚴格。部分客戶也要求(qiú)控製氮含量指標,一般要求在500ppm以下,也即氮(dàn)元素在金屬中(zhōng)所占的質量百分比在0.05%以下。
2、粒度分布:
不同尺寸的金屬粉末顆粒的在一定(dìng)尺寸區間內所占的體積百分比的統計數據,一般情況下製備的粉末粒度分布呈正態分布。
以 上圖為例,金(jīn)屬粉末顆粒粒度分布結果中,d(10)=20.38μm,代表尺寸小於20.38μm的粉末體(tǐ)積所占比例(lì)不低(dī)於(yú)10%。同理可知,d(50)= 30.44μm,d(90)= 42.09μm,說明(míng)在該粉末中,尺寸小於42.09μm的粉末比(bǐ)例不低於50%,小於42.09μm的粉末比例不低於90%。
GBT 1480-2012 《金屬(shǔ)粉末 幹篩分法測定粒度》適用於大於45微米的粉末顆粒,已不太能滿足金屬粉末粒度測試要求(qiú),目前粒(lì)度分析大多通過激光粒度分析儀(適用於0.1微米到2毫米的粒(lì)度分布)分析,市麵上有馬爾文激光(guāng)粒(lì)度儀,百特激(jī)光粒度儀,崛場激光粒度儀等,測試前需用類似粒度的標樣驗證適(shì)用(yòng)性。目(mù)前金屬3D打印常用的粉末的粒度範圍是15~53μm(細(xì)粉),53~105μm(粗粉),部分場合下可(kě)放寬至105~150μm(粗粉),分別(bié)對應的顆粒目(mù)數範圍為:270~800目(細(xì)粉),140~270目(粗粉),100~270目(粗粉)。此粒度範圍是根據不同能量源的金屬打印(yìn)機劃分的,以激光作為能量源的打印機,因其聚焦光斑精細(xì),較(jiào)易(yì)熔化細粉(fěn),適(shì)合使用15~53μm的粉末作為耗(hào)材,粉(fěn)末補給方式為逐層鋪(pù)粉;以等離子束作為能量源的打印機,聚焦光斑(bān)略粗,更適於熔(róng)化粗粉,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(xìng)等參考指標
球形度也就是金屬粉(fěn)末顆粒接近球體的程度,一般通過掃描(miáo)電子顯微鏡(SEM)定性分析,也有人定義為在一定區域內球形粉末麵積占總(zǒng)麵積的比率。上圖為不同金屬粉末(mò)的SEM形態照片,可以看出,左圖粉末顆粒的球形度要(yào)優於右(yòu)圖粉末。一(yī)般而言,球形度佳,粉末(mò)顆粒的流動性也比較好,在金(jīn)屬3D打印時鋪粉及送(sòng)粉更容易進行控製,更易(yì)獲得更高打印質量的零部件。一般來說,等離子旋轉電極(jí)霧化技術(shù)製備的粉末球形(xíng)度比真空氣霧化技術製備(bèi)的粉末要好,但在製備合金粉末綜合性能方麵各有優勢。
圖4 霍爾流速計裝(zhuāng)置
流(liú)動性是指以一(yī)定(dìng)量金屬粉末顆粒流過規定孔徑的量具所需要的時(shí)間,測試方法參考(kǎo)GB/T 1482-2010或ISO 4490:2001《金屬(shǔ)粉末 流動性(xìng)的測定 標準漏鬥法(霍爾流速計)》,通常采用的單位為s/50g,可以通過霍爾流速計測量,數值愈小說(shuō)明該粉末的流動性(xìng)愈好。流動性也(yě)可以用休止角表征,休止角指在重力場中,顆粒(lì)在金(jīn)屬粉(fěn)末堆積層的(de)自由斜麵(miàn)上滑動時所受重力(lì)和(hé)粒子之間摩擦力(lì)達到平(píng)衡而處於靜止狀態下測得的最大角(jiǎo)。這是一種檢驗金屬粉末流動性(xìng)的簡(jiǎn)易方法,休止角越小,摩(mó)擦力越小,流動性越好,越有利於鋪粉及送粉的進行。
鬆裝密度是直接鋪(pù)粉(fěn)得到的金屬粉末在一定體積內的質量,可以通過漏鬥法(fǎ)測量,參考GB/T 1479-2011 《金屬粉(fěn)末 鬆裝密度的測定》。鬆裝密度僅作為參考指標,表征粉末在補給過程中堆垛(duǒ)密實程(chéng)度,其對於金屬打印最終產品的密度影響尚無確論。
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