基于增材制造的粉末流動(dòng)性表征試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)-ASTM標(biāo)準(zhǔn)研究進(jìn)展解析

金屬粉末是金屬3D打印技術(shù)發(fā)展的重要基礎(chǔ)，尤其是粉床熔融(燒結(jié))增材制造。目前對(duì)于金屬粉末的研究主要集中在鈦合金、不銹鋼、鎳基高溫合金。金屬粉末的發(fā)展程度一定程度上制約著金屬增材制造技術(shù)的發(fā)展。

剪切性、動(dòng)態(tài)流動(dòng)性、 松散性
粉末包括了以下獨(dú)特的材料組分，固體（實(shí)體顆粒）、液相（存在于顆粒表面或結(jié)構(gòu)內(nèi)部的水分）以及氣相（顆粒之間的空氣）。因此，粉末是一種組成復(fù)雜的材料組合體，擁有各種組合體及其組合所帶來的不同屬性，無法用簡單、單一的參數(shù)來進(jìn)行描述。

當(dāng)粉末成為增材制造原材料進(jìn)入整個(gè)制造過程時(shí)，其各類屬性及性能就對(duì)于增材制造工藝的效能以及最終產(chǎn)品性能及質(zhì)量產(chǎn)生了重要的影響。設(shè)備操作人員需要選擇與設(shè)備及工藝相匹配的粉末，或者根據(jù)粉末的性能來調(diào)節(jié)設(shè)備參與及工藝參數(shù)，從而將生產(chǎn)效率及產(chǎn)品質(zhì)量最優(yōu)化。

在增材制造過程中，通常情況下工業(yè)中應(yīng)用的單獨(dú)的顆粒物理性能測(cè)量不能充分、全面地表征粉末性能，在給定工藝條件下，經(jīng)常出現(xiàn)具有相同粒徑分布的粉末，其成形后零件性能完全不同的現(xiàn)象。同時(shí)，現(xiàn)有測(cè)試技術(shù)也沒有考慮到粉末在工藝環(huán)境下所受的應(yīng)力及流動(dòng)性變化等規(guī)律。

目前ISO 17296-3中針對(duì)于增材制造用粉末原材料規(guī)定的技術(shù)要求包括：化學(xué)成分；粒度及分布；形態(tài)；比表面積；流動(dòng)性；松裝密度；振實(shí)密度等。國內(nèi)也正在開展相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)的制定工作，基本思路是轉(zhuǎn)化ISO標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)將引用標(biāo)準(zhǔn)盡量以國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行替代。另一方面，針對(duì)于增材制造粉末流動(dòng)性方面，國內(nèi)普遍采用的依然是GB/T 1482-2010《金屬粉末流動(dòng)性的測(cè)定標(biāo)準(zhǔn)漏斗法(霍爾流速計(jì))》，但該方法在實(shí)際應(yīng)用實(shí)踐表明，其敏感性、區(qū)分性及數(shù)據(jù)重復(fù)性并不理想，未考慮到粉末在增材制造工藝過程實(shí)際應(yīng)用中所處的環(huán)境及條件。

ASTM WK55610 工作組目前正在開展針對(duì)于增材制造工藝性能相關(guān)的粉末性能表征及其測(cè)試方法的標(biāo)準(zhǔn)編制，期望給出可重復(fù)的、具有良好再現(xiàn)性的測(cè)試程序及方法，并且將這些性能的測(cè)試靈敏度及測(cè)試精度定量化。

由于粉末性能的復(fù)雜性，大量的性能參數(shù)都會(huì)對(duì)粉末性能產(chǎn)生影響，在標(biāo)準(zhǔn)編制過程中，工作組目前初步將粉末性能大致分為四個(gè)方面：

1、 粉末如何從靜態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)閯?dòng)態(tài)？
2、 運(yùn)動(dòng)中的粉末行為是什么樣的？
3、 受到固結(jié)應(yīng)力時(shí)粉末變化如何？
4、 空氣通過粉末床的松散粉末的難易程度如何？

將這四方面的性能定量化，對(duì)于粉末生產(chǎn)方及使用方來講，可以全面評(píng)價(jià)并給出在任意增材制造工藝環(huán)境下的粉末性能。這四方面的粉末性能可以通過下面的三組性能測(cè)試來進(jìn)行表征：

1、 剪切性能（表征粉末如何從靜態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)閯?dòng)態(tài)）；
2、 動(dòng)態(tài)流動(dòng)性能（運(yùn)動(dòng)中的粉末行為）；
3、 松散性能（固結(jié)載荷對(duì)于粉末的影響以及空氣如何在粉末中通過）。

依據(jù)這三組性能的測(cè)試要求，該標(biāo)準(zhǔn)主要考慮剪切性能（粉末間及粉末與容器壁間）測(cè)試、動(dòng)態(tài)流動(dòng)性能測(cè)試、以及松散性能（松裝密度、固結(jié)性、通氣性）測(cè)試等幾類測(cè)試方法以及相應(yīng)推薦的儀器設(shè)備。

通過該標(biāo)準(zhǔn)的編制、發(fā)布及未來實(shí)施，將對(duì)增材制造用粉末流動(dòng)性能評(píng)估方面提出指導(dǎo)性建議，為粉末制造商、供應(yīng)商乃至設(shè)備制造商及終端用戶提供完整、全套的粉末流動(dòng)性表征試驗(yàn)方案指導(dǎo)

本文作者：栗曉飛 博士（中國航空綜合技術(shù)研究所）
來源：3D科學(xué)谷
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