【解析】增材制造用金屬粉末材料的關鍵影響因素分析

目前， 增材制造技術成為一項備受關注的技術，在航空航天、汽車、生物醫(yī)藥等行業(yè)得到了大力發(fā)展，已成為一種推動傳統制造業(yè)轉型升級的重要力量。我國增材制造技術近年來發(fā)展迅速，各種應用服務市場正在逐漸成型， 雖然在部分領域有一定成效，但與國外相比整個產業(yè)的技術儲備不足，增材制 造相關的核心技術及專利都被國外企業(yè)把持 。

目前工業(yè)生產中應用最為廣泛的依然是金屬材料，使用增材制造技術來代替?zhèn)鹘y工藝方法，制造各種傳統加工手段難以加工的金屬零部件是目前增材制造技術的一個重要發(fā)展方向。區(qū)別于傳統工藝方法，增材制造技術對材料的性能和適用性提出了更高要求，但作為產業(yè)基礎的金屬粉末材料，成為制約我國 快速發(fā)展增材制造產業(yè)的一個重要因素。筆者嘗試對增材制造工藝過程的影響因素進行分析，探討增材制造用金屬耗材的特點，以期為我國相關材料的研究提供參考。

１ 金屬增材制造技術的分類
目前比較成熟的金屬增材制造技術主要包括選區(qū)激光熔化、激光熔化沉積、電子束熔煉等，每種工藝方法都已有比較成熟的產品供應市場。

１．１ 選區(qū)激光熔化
選區(qū)激光熔化（ＳＬＭ）工藝是工件的３Ｄ模型先進行分層處理，然后利用掃描系統控制激光束對待成型區(qū)域內的材料進行照射，有選擇性地對金屬粉末進行熔融處理。每層切片掃描結束后，送粉系統用新粉將已成型區(qū)完全覆蓋，不斷重復這兩個動作，直至完成所有切片的掃描，最終實現工件的逐層累積成型。

１．２ 激光熔化沉積
激光熔化沉積（ＬＭＤ）也稱作激光直接制造。一般采用較高功率的激光，送料的方式多為同步送粉，直接進行層疊式沉積是其最大技術特色。與傳統制造工藝相比，該方法靈活性高、流程短，可顯著減少成品的成本和時間。在制備小批量、高價值金屬零部件等方面有巨大潛力

１．３ 電子束熔煉
電子束熔煉（ＥＢＭ）是在高真空條件下，利用電子束將金屬粉末熔融而成型的工藝方法。真空條件及電子束是ＥＢＭ與ＬＭＤ及ＳＬＭ的主要區(qū)別。利用ＥＢＭ技術制造的零件致密性好， 強度極高。

２ 增材制造工藝的主要影響因素

雖然實現增材制造的技術方法有多種，但加工機理基本一致，即材料在高能熱源作用下快速融化，由于作用時間極短，熔融的金屬在基體的冷卻作用下發(fā)生快速凝固，從而實現在特定的掃描區(qū)域成型。增材制造制品的性能由熱源量屬性、材料特性及工藝參數所決定，而熱源類型及送粉方式是區(qū)分各種增材制造技術的最根本因素。

２．１ 熱源
在金屬增材制造領域，應用最為成熟的熱源是激光和高能電子束。電子束與激光的工作原理不同，電子束的加熱方式是高能電子穿過靶材的表面進入到距表面一定深度后，再傳給靶材原子能量，從而使靶材原子的振動加劇，把電子的動能轉換為熱能；激光的加熱方式則為靶材表面吸收光子能量，激光并未穿過靶材表面。材料制造加工過程中，熱源的功率及掃描速度一般是恒定的，即作用于材料的能量密度是恒定的， 熱源作用效果由材料對熱源的吸收性能直接決定。材料對熱源能量的吸收由兩者的作用機理、材料表面狀態(tài)等因素所決定。對于最常用的激光熱源， 激光光能的吸收與波長、被照材料的反射率以及能量密度相關，在成型過程中，材料的表面狀態(tài)、 尺寸等因素對激光都有明顯的制約作用。電子束由于其作用機理的不同，在增材制造過程中表現出較激光更加良好的適配性。

２．２ 材料
粉末材料是目前最為常用的金屬類增材制造用材料。金屬粉末作為金屬制件增材制造產業(yè)鏈中最重要的一環(huán)， 也是最大的價值所在。金屬粉體材料一般用于粉末冶金工業(yè)， 粉末冶金成型是將粉末預成型后利用高壓高溫條件進行最終的定型，整個過程中，材料發(fā)生的物理冶金變化相對緩慢，材料有比較充分的時間進行融合、 擴散、反應。由于受粉末冶金加工時溫度及壓力的限制， 為了保證工件的致密性，要求使用的粉體材料盡可能地將成型腔體填充完全。針對粉末冶金工藝的技術特點，已經發(fā)展出了一套比較完善的粉末評價方法及標準， 有相對比較完善的指標可用來恒量粉體材料的性能，如粒徑、比表面積、粒度分布、粉體密度、流速、松裝密度、孔隙率等。對于粉末冶金而言， 粉末的流動性、振實密度等指標是衡量粉末冶金用粉末材料的重要指標。

增材制造工藝與粉末冶金工藝相比有明顯的區(qū)別，粉末材料在熱源作用下的冶金變化是極速的，成型過程中粉體材料與熱源直接作用，粉體材料沒有模具的約束以及外部持久壓力的作用。一般認為直徑小于１ｍｍ的粉體材料適用于增材制造， 粒徑在５０μｍ左右的粉體材料具有較好的成型性能 。與 粉末冶金工業(yè)相比， 目前國內還沒有形成成熟的評價方法或標準來判定粉末材料與增材制造工藝的適用性，增材制造用粉末的相關評價方法及指標需要進一步深入的研究與思考。

２．３ 工藝過程
圖１為典型的粉體填加方式示意圖�？梢钥闯霾捎娩伔鄯绞綍r， 熱源優(yōu)先作用于粉末，為保證粉末與已成型區(qū)的冶金結合充分， 需要確保加工過程中熔池的深度及尺寸在一個合理范圍內。當采用同步送粉方式時，無論是同軸送粉還是側向送粉方式，熱源對材料的作用分成作用于已成型區(qū)及作用于粉末材料兩部分。粉末在運動途中被熱源加熱到一定溫度后，在自身動能的作用下打入已成型區(qū)域，整個成型過程相當于相對高能的粉末材料轟擊熔合區(qū)域的過程，這種方式較鋪粉方式更有利于提高制品的致密度。

３ 增材制造工藝影響因素綜合分析
使用增材制造技術加工工件時，首先要根據材料的特性選定熱源類型、功率大小及掃描速度等參數，然后將材料通過輸送裝置置于加工區(qū)，并在熱源的作用下逐步成型。增材制造過程是一個非連續(xù)加工過程，工藝過程的穩(wěn)定性、一致性是其成敗的關鍵。產品加工的穩(wěn)定性、一致性的要求需要由材料、熱源、工藝流程等因素的共同作用才能保證。增材制造過程中， 一般熱源的類型、功率大小及掃描速度是恒定的， 即加工過程中材料成型的熱源是穩(wěn)定一致的。加工過程中，熱源會同時與粉末及已成型區(qū)的基體發(fā)生作用，采用鋪粉方式送粉時，熱源對粉末的作用更加的直接；而采用直接送粉方式時，熱源與基體之間的作用會變得更明顯。

粉末無論采用哪種方式被置于成型區(qū)，在相同的作用區(qū)域、空間，熱源對粉體作用總量是穩(wěn)定的。熱源作用于材料時，受作用機理以及材料自身狀態(tài)（ 如粒度、球形度、表面狀態(tài)） 等因素的影響。因此，增材制造過程的穩(wěn)定性最終由材料的穩(wěn)定性、一致性所決定。 材料的一致性越好，加工過程中材料發(fā)生的冶金變化越穩(wěn)定，這樣才能保證掃描路徑中材料的變化以及最終的性能更加的穩(wěn)定、 一致。對于粉末材料，性能的一致性不僅包括材料的化學成分、組織、力學性能等常規(guī)性能一致，同時其形貌特征，如粒徑大小、球型度等因素也是重要的指標。最理想的增材制造用粉末應是粒徑尺寸、 外形一致的。受生產工藝及方法的限制，實際生產中很難采用完全一致的材料，加工用的粉末一般由多種粒徑的粉末混合而成。為保證加工過程中的穩(wěn)定性，這種混合粉末在加工過程中發(fā)生的冶金變化應控制在合理的范圍內。 假設增材制造過程中粉末均為理想球體，熱源能量密度均勻分布，忽略材料外形對熱源吸收率的影響以及加工過程中材料的相變等因素。則粉末在成型過程中被加熱至成型溫度所需的能量為：

式中：ｃ為材料的比熱容；ｍ為粉末顆粒的質量；Ｔｐ為理想成型溫度；Ｔｉ為材料初始溫度；ρ為材料密 度；ｄ為粉末直徑。 而成型過程中，熱源作用于粉末顆粒的有效能量為：

式中：ａ為材料對熱源的吸收率；Ｐ為熱源功率；Ｄ為熱源直徑；ｖ為掃描速率。 則有： Ｑ供

由增材制造技術的特點可知， ｋ為常數。當Ｑ供／Ｑ需＝１時是最理想的加工狀態(tài)， 材料在熱源的作用下即不會過熱，也不會欠熱；而當Ｑ供／Ｑ需＞１ 時，說明加工過程中熱源的供給超過需求，多余的能量會將粉末加熱到高于成型所需的溫度；當Ｑ供／Ｑ需＜１時， 說明能量的供應不足。由于：

粉末直徑越小，在其他參數相同的條件下， Ｑ供／Ｑ需的比值越大，即能量供應過量幅度越大，越容易在成型過程中出現過熱現象。過度的加熱可能會造成材料熔融過度，熔池溫度過高，熔池內金屬液的流動情況變得更為復雜，有可能使金屬液發(fā)生飛濺現象，過高的溫度更容易使合金元素發(fā)生燒損，甚至會導致元素與保護氣體發(fā)生反應而引入夾雜等問題。粉末直徑越小， 比表面積越大，越容易發(fā)生團聚現象，團聚后的粉末會大大降低粉末的可輸送性。

金屬熔融后，受表面張力的作用極易發(fā)生球化，由于成型中冷卻速度快， 球化可能會被完全保留下來，使得工件的表面質量下降，嚴重時可以造成加工無法進行。實際生產中發(fā)現，加工過程中發(fā)生球化現象的程度隨粉末中細粉的比例增大而增強。 當粉末直徑過大時，加熱過程獲取的能量無法充分地將粉末加熱至理想成型溫度，這可能導致材料的冶金變化不完全， 影響材料之間的結合力，使得工件的致密性下降。當粉末直徑達到一臨界值時，成型過程將完全無法進行。由函數的變化規(guī)律可知，在以ｄ０為中間的相鄰區(qū)域內，函數的變化較為平緩，此時能量的供給與需求之比偏離理想狀態(tài)相對較小，這利于保持增材制造過程的穩(wěn)定性。由此可推知，增材制造用的粉末材料粒度分布應在一個比較窄的范圍內。這與目前增材制造用粉的粒度一般在２００～５００目的實際情況相符合。

４ 結論
（１ ）增材制造是一種新興的成型技術，而材料是制約增材制造工藝廣泛應用的主要因素。
（２ ）增材制造用粉末材料與粉末冶金用粉末材料在本質上沒有區(qū)別，但其粒度分布要求更為嚴格，需控制在一個較窄的范圍內。
（３ ）增材制造用粉末的粒徑、粒度的分布由熱源類型、成型參數所決定。

編輯：南極熊
作者：范立坤 （上海材料研究所上海市工程材料應用評價重點實驗室）

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