隨著金屬3D打印（yìn）技術在近年的快（kuài）速發展，其在航天航空、汽車、軍工、醫療植（zhí）入（rù）物等方麵的應用越來越廣泛，金屬3D打印粉末也迎來了全（quán）麵（miàn）的爆發。許（xǔ）多企業和機構就紛紛開設了專（zhuān）門的實驗室或工廠，重（chóng）金（jīn）投入金屬粉末的研（yán）發和生產。　那（nà）麽金屬粉（fěn）末的性能該如何評價呢，業內對於金（jīn）屬粉末的評價（jià）指標主（zhǔ）要有化學成分、粒度分布及粒度（dù）分布、粉末形貌、粉末鬆（sōng）裝密度和振實（shí）密度、粉末流動性等。下麵小編將帶您一起學習3D打印金屬粉末性能指標及測試方法。

 

化學成分

EOS Ti64化學成分

 

 

對於金屬3D打印而言，因為打（dǎ）印（yìn）過程中金屬重熔後，元素以液體形態（tài）存在，或者可能存在易揮發元素的揮發損失（shī），且粉末的形態存在衛星（xīng）球、空心粉等問題，因（yīn）此有可能在局部生（shēng）成氣孔（kǒng）缺（quē）陷，或者造成打（dǎ）印後的零部件的成分異於原始粉末或者母合金的成分，從而影響（xiǎng）到工件的致密性及其力學性能（néng）。因（yīn）此，對（duì）不同體係的金屬粉末，氧含量均為一項（xiàng）重要指標。

 

以鈦合金為例，業內對該指標的一般要求在1300~1500ppm，亦即氧（yǎng）元（yuán）素在金屬中所占的質（zhì）量百分比在0.13~0.15%之間。由於目前用於金（jīn）屬3D打印的粉末製備技術主要以霧化法（fǎ）為主（zhǔ）（包括超音速真空氣體霧化和（hé）旋轉電極霧化等技術），粉末存在大（dà）的比表麵積，容易產生氧化，因（yīn）此粉末製備過程中要對氣氛進行嚴格（gé）控（kòng）製（zhì）。在航空航天等特殊應用領域，客戶對此指標的要（yào）求更為（wéi）嚴格。部分客戶也（yě）要求控製氮含量（liàng）指標，一（yī）般要求在500ppm以下，也即氮元素在金屬中（zhōng）所占的質量百分比在0.05%以下。

 

以物質的化學反應及其計量關係為基礎的分（fèn）析方法稱為化學分析法。化學分析（xī）法（fǎ）是分析化學的基（jī）礎，又稱經典分（fèn）析法，主要有重量分析法和滴定分析法等。以（yǐ）物理性質或物理化學性質為（wéi）基礎的分析方法稱為（wéi）物理分析法（fǎ）或物理化學分析法，需要較特殊的儀器，通常稱為儀器分析法。最主要的儀器分析方法有光學分（fèn）析法、電化學分析法（fǎ）、熱分析（xī）法、色譜（pǔ）法（fǎ）等。儀器分析法（fǎ）準確度、靈敏（mǐn）度較高，適用於微量、痕量組分的測（cè）定，分析速度快，易於實施實時、在線監測。

 

常見的儀器包括：

電感藕合等離子體原子發射光譜儀

火花直讀光（guāng）譜儀

原子吸收光譜

紅（hóng）外碳/硫分析儀

電位電解儀

 

粉末粒（lì）度及粒度分布

 

目（mù）前金屬3D打印（yìn）常用的粉末（mò）的粒度範圍是15~53μm（細粉），53~105μm（粗粉（fěn）），部分場合下可放寬至105~150μm（粗粉），分別對（duì）應的（de）顆粒目（mù）數範圍為：270~800目（細粉），140~270目（粗粉（fěn）），100~270目（粗粉（fěn））。此粒度範圍是根據不同能量源的金屬打印機劃分的，以激光作為（wéi）能（néng）量源的打印機，因其聚焦光斑精（jīng）細，較易熔化細粉，適合使用15~53μm的粉末作為耗材，粉末補給方式為逐層鋪粉；以等離子束作為能量源的打印機，聚焦光斑略粗，更適於熔化粗（cū）粉，適合使（shǐ）用53~105μm為主，部分場合（hé）下105~150μm的粉末作為耗材，粉末補給方（fāng）式（shì）為同軸（zhóu）送粉。

粒度分布測試常用方法

 

 

金屬粉末的粒度分布主要通過激光粒度分析儀分析（適用於0.1μm~ 2mm的粒度分布），市（shì）麵上有馬爾文激光粒度儀，百（bǎi）特激光粒度儀，崛場激（jī）光粒度儀等，測試前需用類似粒度的標樣驗證適用性。下圖為馬爾文Mastersizer 3000粒度分析儀及測試結果，其中：D10表示小於該值的顆粒占比例不低於10%，D50表示小於該（gāi）值的顆粒占比例（lì）不低於50%，D90就（jiù）是小於（yú）D90這個值（zhí）的（de）顆粒占顆粒占比例（lì）不低於90%。

 

 

粒度分布（bù）測試結果（D10=36.6μm，D50=59.5μm，D90=93.9μm） 

粉末（mò）形貌（mào）

粉（fěn）末形狀與製備方法的（de）關係

 

 

在粉末的物理（lǐ）性能中，除了粉末粒度和（hé）粒（lì）度分布外，粉末顆粒的形狀（zhuàng）也十分重要（yào），粉末顆粒（lì）形狀（zhuàng）直接影（yǐng）響其工（gōng）藝性能參數。粉末形狀（zhuàng）和生（shēng）產粉末的方法密切相關，一般由金屬氣態或熔融液態轉變成粉末時，粉（fěn）末顆粒形狀趨（qū）於球形，由固態裝變為粉末時，粉末顆（kē）粒趨於不規則形狀，而由水溶液電解法製備的（de）粉末多數呈樹枝狀。上表為不同製備（bèi）方法（fǎ）對應的金屬粉（fěn）末形狀。一般而言，球形度佳，粉末顆粒的（de）流動性也比較（jiào）好，在金屬3D打印時鋪粉（fěn）及送粉更容易進行，因此，霧（wù）化法、旋轉電極（jí）法為成為3D打印金屬粉末主流的製備方法。粉末形貌觀測通常借助用掃描（miáo）電子顯微鏡。

 

粉末鬆裝密度（dù）和振實密度

 

鬆（sōng）裝密度：是粉末試樣自然地充滿規（guī）定容（róng）器時，單位容積的粉末質量。自然填充狀態下的體積就是顆粒體積+顆粒上（shàng）的開（kāi）孔和閉孔體積+顆粒間空隙體積。一般情況，粉末粒度越粗鬆裝密度（dù）越大。粗細搭配的粉末能夠獲得更高的鬆裝密度。鬆裝密度通常用漏鬥法、斯科特容量計法來測定。

 

振實密度：將粉末裝入振動容器中（zhōng），在（zài）規定的條件下經過振實後（hòu）測得（dé）的粉末密度，粉體（tǐ）材料振實後的體積是指顆粒（lì）體（tǐ）積（jī）+顆粒上的（de）開孔和閉（bì）孔體積+顆粒間振實後空隙體積。一般振實密度比鬆裝密度高20%~30%。

 

粉末流（liú）動性是指以一定量金屬粉末（mò）顆粒流過規定孔徑的量具所需要的時間，通常（cháng）采用50g粉末，單位為s/50g，可以通過霍爾流速計測量，數值愈小（xiǎo）說明該粉末的流動性愈好。流動性是（shì）一個與形（xíng）貌、粒度分布及鬆裝密度相關的綜合性參數（shù）。

影響（xiǎng）因素：

粉末顆粒越（yuè）大、顆粒形狀越規則、粒度組成中極細的粉末所占的（de）比例小，流動性（xìng）相對（duì）比較好（hǎo）。

顆（kē）粒密度不變，相對密度增加，粉末流動性增加。

顆粒表麵吸附水、氣體等會降低粉末流動性。

 

流動性是3D打印技術中關鍵性能指標之一，直接影響打印（yìn）過程中鋪粉的均勻性和送粉過（guò）程的穩定性。與流動性相關（guān）的三個測（cè）試點：休止角（jiǎo）、流出速度和壓縮度，休止角是粉體堆積層的自由斜麵與（yǔ）水平（píng）麵所形成的最大角（jiǎo），是粒（lì）子在粉體堆積層的自由斜麵上滑（huá）動（dòng）時所受重力（lì）和（hé）粒子間摩擦力達到平衡（héng）而處於靜止狀態下測得（dé）。流出速（sù）度是將物料加入（rù）於漏鬥中用測定的全部物料流出所需（xū）的時間來描述。壓（yā）縮度反映了粉體的凝聚性、鬆軟狀態，是（shì）粉體流動性的（de）重要指標。測定粉（fěn）末流動性使用兩種流（liú）量計：霍爾流量計漏鬥和（hé）卡尼（ní）漏鬥。

 

 

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