增材製（zhì）造(3D打（dǎ）印)用金屬粉末評價指標

 

 

增（zēng）材製（zhì）造（3D打印）作為一種新（xīn）興的新一代先進製（zhì）造技術，近年來發展迅速。然而，對於工業級金屬3D打印領（lǐng）域，粉末耗材仍是製（zhì）約該技術規模化應用的重要因素之一（yī）。目前，國內尚未製訂出金屬3D打印用材料標準、工藝規範、零件性能標準等行（háng）業標準或國標。業內（nèi）對於金屬粉末的評價指（zhǐ）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，化學成分、粒（lì）度分布是金屬3D打印領域用於評價金屬粉末質量的常用（yòng）指標，球形度、流動性、鬆裝（zhuāng）密度可作為評價質量的參考指標。

 

1、化學成分

金屬粉末中各元素實際所占的質量百分比（wt.%）。

 

表1 316L不鏽鋼成分

以（yǐ）上表為例，在該合（hé）金中Ni元素的檢測數據為13.02，表示Ni元（yuán）素在該合金所占的質量百分比（bǐ）為13.02%，其它元素質量百分比可以此類推（tuī）。目前，金屬化學成分檢測應用最（zuì）廣（guǎng）的方法是化學分析法（fǎ）和光譜分析法。化學分析法是利用化學反應來確定金屬的組成成分，可以實（shí）現金屬化學成分的定性分析和定量分析。光譜分析法是利用金屬中各種元素在高（gāo）溫（wēn）、高能量的激發下產生的自己特（tè）有的特征光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（de）定性分析（xī）。以上兩種方法（fǎ）都要（yào）使用專業的檢測設備，由專業的檢測（cè）機構專業的人員完成。

大部分鑄態、鍛造的金屬的化學成分都有相應的行業標準或（huò）國標，以評價該金屬的化學成分指（zhǐ）標（biāo）是否合格。然而，用於金屬3D打印的粉（fěn）末技術新（xīn）穎，業內尚無相應的行業標準或國標，業內通常認可的評價方法是沿（yán）用該金屬粉末對應的鑄態標（biāo）準，或在該標準的基礎上雙方協商（shāng）放（fàng）寬指標要求。

對於金屬3D打印而言，因為打印過程中金屬重（chóng）熔後，元素以液體形態存在，或者可能存在易揮發元素的揮發損失，且粉末的形態存在衛星球、空心粉等問題，因此有可（kě）能在局部生成氣孔（kǒng）缺陷，或者造成打印後的零部件的成（chéng）分異於原始粉末或者（zhě）母（mǔ）合金的成分，從而影響到工件（jiàn）的致密性及其力學性能。因此，對不同體係的金屬粉末，氧含（hán）量均為一項（xiàng）重要指標，以鈦合（hé）金為例，業（yè）內對該指標的一般（bān）要求在1300~1500ppm，亦即氧元素在金屬中所占的質量百分比在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（kuò）超音速真空氣體霧（wù）化和旋轉電極（jí）霧化（huà）等技術），粉末存在大的比（bǐ）表麵積，容易產生氧化。因此粉末製備過程中（zhōng）要對氣氛進行嚴格控製。在航空航天等特殊應用領（lǐng）域，客戶對此指（zhǐ）標的要求更為嚴格。部分客戶也（yě）要求控製氮含量指標，一般要求在500ppm以下（xià），也即氮元素在金屬中所占的質量百分比在0.05%以（yǐ）下。

2、粒度分布：

不同尺（chǐ）寸的金屬（shǔ）粉末顆粒的在一定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（fěn）末粒度分布呈正態分布。

以 上（shàng）圖為例，金屬粉末顆粒粒度分布結果中，d(10)=20.38μm，代表尺寸小（xiǎo）於20.38μm的粉末體積所占比例不低於10%。同理可知，d(50)= 30.44μm，d(90)= 42.09μm，說明在該粉末中，尺寸小於42.09μm的（de）粉末比例不低於50%，小於42.09μm的粉末比例（lì）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微米的粉末顆粒，已不（bú）太能滿足金屬粉末粒度測試要求，目前粒度分析大多通過激光粒度分析儀（適（shì）用於0.1微米到2毫米的粒度分布）分析，市麵上有馬爾文（wén）激光粒度儀，百特激光粒度儀，崛場激（jī）光粒度（dù）儀等，測試前需用類似粒度的標樣驗（yàn）證適用性（xìng）。目前金屬3D打（dǎ）印常用的粉末的粒度範（fàn）圍是15~53μm（細粉），53~105μm（粗粉），部（bù）分場合下（xià）可放寬至105~150μm（粗粉），分別對應的顆（kē）粒目數範圍為：270~800目（細粉），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機劃分的，以激（jī）光作（zuò）為能量源的打印機，因其聚焦光斑精細，較易熔化（huà）細（xì）粉，適（shì）合使用15~53μm的粉（fěn）末作為耗材（cái），粉末（mò）補給方式為逐層鋪粉；以（yǐ）等離子（zǐ）束作為能量（liàng）源的打印機，聚焦光斑略粗，更適（shì）於熔（róng）化粗粉，適合使用53~105μm為主，部分場合（hé）下105~150μm的粉末作為耗材，粉（fěn）末補給方式為同軸（zhóu）送粉（fěn）。

3、球形度、鬆裝密度、流動性等參考指標

球形度也就是金屬粉（fěn）末顆粒接近球體的程度，一般通過掃描電子顯微鏡（SEM）定性分析，也有人（rén）定義為在一定區域內球形粉末麵積占總麵積（jī）的比（bǐ）率。上圖為不同金屬粉末的SEM形態照片（piàn），可以看出，左圖粉末顆（kē）粒的球形度要優於（yú）右圖（tú）粉末。一般（bān）而言，球形度佳，粉末顆（kē）粒的流（liú）動性也比較好（hǎo），在金屬3D打印時鋪粉及（jí）送粉更容易進行控製，更易（yì）獲得更高打印（yìn）質量的零部件（jiàn）。一般來說，等離子旋轉（zhuǎn）電極霧化技術製（zhì）備（bèi）的（de）粉末球形度（dù）比真空氣霧（wù）化技術製備的粉（fěn）末要好，但在製備合金粉末綜（zōng）合性能方（fāng）麵各有優勢。

圖4 霍爾流速計裝置

流動性是（shì）指以（yǐ）一定量金屬粉末顆（kē）粒流（liú）過規定孔徑的（de）量具所需要的時間，測試方法參考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（jì））》，通常采用的單位（wèi）為s/50g，可以通過（guò）霍爾流速計測量，數值愈小說明該粉末的流動性愈好。流動性也可以用休（xiū）止角（jiǎo）表征，休止角指在重力場中，顆粒在金屬粉末堆積（jī）層的自由斜麵上滑動時（shí）所受重力和粒子之（zhī）間摩擦力達到平衡而處（chù）於靜止（zhǐ）狀態下測得的（de）最大角。這是一（yī）種檢驗金屬粉末流動性的簡易方法，休止（zhǐ）角越小，摩（mó）擦力越小，流動（dòng）性（xìng）越好，越有利於鋪粉及送粉的進行。

鬆裝密度是直接（jiē）鋪粉得到的金屬（shǔ）粉末在一定體積內的質量，可以通過漏鬥法測量，參考GB/T 1479-2011 《金屬粉末 鬆裝密度（dù）的測定》。鬆（sōng）裝密度僅作（zuò）為參考指標（biāo），表征粉末在補給過程中（zhōng）堆垛密實程度，其對於金屬打印最終產品的密度影響尚無確論。