3D打印材料分析檢測新方法

金屬3D打印技術近年來發(fā)展迅速。而對于工業(yè)級金屬3D打印領域，粉末耗材仍是制約該技術規(guī)�；瘧�用的重要因素之一，這是由于用于增材制造的粉末具有不同于傳統(tǒng)粉末所需要的粉末特性，不僅要求粉末純度高、雜質含量低，還必須滿足粉末粒徑細小、球形度高、流動性好和松裝密度高等要求。

目前，國內尚未制訂出金屬3D打印用材料標準、工藝規(guī)范、零件性能標準等行業(yè)標準或國標，在業(yè)內評價金屬粉末時，通常將化學成分、粒度分布作為常用指標，球形度、流動性、松裝密度可作為參考指標。

本文將主要從化學元素分析、粒度分布及球形度這幾個方面來闡述弗爾德科先進技術在3D打印金屬粉末性能評價中的應用。

化學元素分析
3D打印金屬材料中最重要的指標當然就是化學成分啦！不僅要求定性，更是要求定量呢。所以，對于金屬原材料及最終的粉末成品，為了監(jiān)測樣品的純度等品質，都需要進行成分及含量檢測。而且呢，3D打印用金屬粉末對純凈度要求也很高，除測定主要元素及雜質元素外，氧、氮、氫含量也有要求。

除此之外，還有一些棘手的其它挑戰(zhàn)呢，讓我們一起來看看。
金屬3D打印過程中，金屬重熔時，元素以液體形態(tài)存在，或者可能存在易揮發(fā)元素的揮發(fā)損失，且粉末存在衛(wèi)星球、空心粉等形態(tài)問題，因此有可能在局部生成氣孔缺陷，或者造成打印后的零部件的成分異于原始粉末或者母合金的成分，從而影響到工件的致密性及其力學性能。

另外，由于目前3D打印金屬粉末制備技術主要以霧化法為主（包括超音速真空氣體霧化和旋轉電極霧化等技術），粉末存在大的比表面積，容易產生氧化。

因此，對不同體系的金屬粉末，氧含量均為一項重要指標，對于普通的金屬粉末，如不銹鋼，含氧量要求在800-900ppm以下，對于活潑金屬，如鈦合金，一般要求在1300-1500ppm，在航空航天等特殊應用領域，客戶對此指標的要求更為嚴格。此外，部分客戶也要求控制氮含量，一般要求在500ppm以下。

那么，以上所說的這些復雜的元素及其含量要如何檢測呢？新技術來了！
弗爾德集團旗下的Eltra（埃爾特）元素分析儀，源自德國，專注元素分析三十多年，主要產品有氧/氮/氫/碳/硫元素分析儀及熱重分析儀等。氧氮氫系列分析儀通過在通有惰性氣氛的脈沖爐中產生最高超過3000℃的高溫來熔融樣品使之釋放出氧、氮、氫元素，并分別通過高靈敏度的紅外檢測池檢測氧及熱導池檢測氮、氫含量，因此，在如此高的溫度下，大部分的金屬、難熔金屬、合金、陶瓷等樣品都可以檢測。

2015年，Eltra對氧氮氫分析儀進行了全新升級，推出ElementracONH-p系列，除了儀器外觀更加簡潔時尚，冷卻及催化效率更高外，最關鍵的是新儀器的爐體升級為三級系統(tǒng)，除了載樣槽，還增加了壓力鎖及隔熱盾，壓力鎖使得整個儀器成為全封閉式氣路系統(tǒng)，能完全隔絕外界空氣對測量的干擾，隔熱盾能有效降低脫氣沖洗時的熱量對樣品的影響，這對于氫的精確測量非常重要。

另外，由于氦氣的價格高昂，為降低使用成本，Elementrac ONH-p系列分析儀還支持使用更廉價的氬氣作為載氣。增材制造業(yè)常用的一些金屬材料，如鈦合金、鈷鉻合金、鎳合金、哈氏合金、鋁合金以及鋼類等，都非常適合用Elementrac ONH-p分析儀進行檢測。

重要的是，測量時，樣品無需進行前處理，粉末樣品包裹在膠囊中稱重后即可直接進樣，漢化版的軟件簡單易懂，操作也非常簡便，單個樣品測量過程只需大約3 min，儀器還有錯誤報警功能，保障使用安全。

以下是鋼中氧氮用氬氣作載氣時的測試結果：   

表1. Eltra標樣91100-1001 #714A的測量結果

91100-1001 #714A的標準含量為O 6 ppm N 19 ppm，從上面結果可以看出，即使是對超低含量的樣品，使用Elementrac ONH-p的多次測樣結果偏差都在1ppm以下，可見儀器的測量精確性和重復性都很優(yōu)異。

更重要的是，Eltra的Elementrac ONH-p系列符合多個ASTM和ISO的標準：

表2 ElementracONH-p符合的標準

粒度分布
下面我們再來看看金屬粉末的粒度如何分布。金屬3D打印常用的粉末粒度范圍是15-53μm（細粉），53-105μm（粗粉），部分場合下可放寬至105-150μm（粗粉）。

目前市場上主流SLM 成形設備要求的鋪粉層厚是20-50μm。而GBT1480-2012《金屬粉末 干篩分法測定粒度》適用于大于45微米的粉末顆粒，所以已不太能滿足金屬3D打印粉末粒度測試要求。

激光粒度儀適用于0.1μm到2mm的粒度分布分析，但激光粒度儀存在如折射率難以確定，進樣量少，沒有顆粒形態(tài)信息，將顆粒等效成球形導致不規(guī)則樣品的測量準確度不高等一些瓶頸。

那么有什么兩全其美的好方法呢？新技術來了！
德國萊馳科技（RetschTechnology）是全球第一家采用ISO13322-2動態(tài)圖像法原理設計的粒度及粒形分析儀，測量對象為0.6μm-8 mm或10μm -30 mm的可流動顆粒、粉體、膠體、懸濁液、磁性材料等。動態(tài)圖像技術采用的是直接測量的原理，“所見即所得”。這是神馬意思呢？

萊馳科技生產的Camsizer系列粒度粒形儀，具有專利的雙鏡頭技術：運動中的顆粒通過帶有脈沖LED光源的通道時，顆粒的投影被兩個數(shù)字鏡頭（CCD）捕捉拍攝，其中一個數(shù)字鏡頭（Z-CCD，聚焦鏡頭）主要分析小顆粒，另外一個鏡頭（B-CCD，基準鏡頭）主要分析大顆粒，雙鏡頭各有所長，這樣就能在一次測量中，既保證了測量范圍，又兼顧了測量精確度。

雙鏡頭技術的原理見下圖：

圖1. 雙CCD鏡頭系統(tǒng)測量原理

Camsizer可以每秒獲取300張圖像，每張圖像上捕捉到幾百個典型顆粒，強大的軟件系統(tǒng)會自動根據(jù)每個顆粒的圖片計算尺寸和形態(tài)。

Camsizer可以依據(jù)不同的粒度定義，如等效球徑Xarea、投影寬度Xc min及投影長度XFe max等分別得到粒度分布曲線，如下圖所示：

圖2. Camsizer測得的粒度分布曲線

紅色曲線是按照投影寬度統(tǒng)計的粒度分布曲線
綠色曲線是按照等效球徑統(tǒng)計的粒度分布曲線
藍色曲線是按照投影長度統(tǒng)計的粒度分布曲線

相比傳統(tǒng)的激光粒度儀，Camsizer取樣量大，一次進樣可達幾十萬個顆粒，因此結果更具有代表性，并且對超標顆粒的檢測靈敏度最低可達到0.01%，測量結果還可以和篩分結果進行擬對，而測量速度比篩分法更快。看起來這種檢測技術真是不錯哦。

球形度
最后再來看看球形度的分析。SLM 成形專用金屬粉末是通過氣霧化法制備得到的，顆粒一般呈球狀，但也會出現(xiàn)形狀不規(guī)則的顆粒，顆粒球形度直接影響粉末的流動性和松裝密度。

萊馳科技的Camsizer粒度粒形儀，除了可以測定粒度大小及粒度分布外，還能同時獲得球形度、對稱性、寬長比、凹凸度等形態(tài)信息。

目前球形度的常規(guī)測定方法是用電鏡來觀察，但電鏡過于耗時，一次檢測量也只有幾百個顆粒，不具有代表性，而且電鏡法沒有量化檢測標準，所以電鏡法不能作為質量監(jiān)測手段，而動態(tài)圖像法很好的解決了這些問題。Camsizer基于粉末顆粒二維圖像分析,采用如下公式表征球形度S（SPHT）：

其中S 為顆粒球形度，A 為顆粒的投影陰影面積， P 為顆粒的投影周長。球形度數(shù)值越接近1，樣品球形度越好。通常大于0.95可以認為是非常好的球體，0.9-0.95認為是比較好的球體，0.9以下認為是球形度一般。

此外，在噴霧造粒的過程中，有時會有小顆粒與大顆粒粘結在一起的情況，這種顆粒稱為衛(wèi)星顆粒。在圖4的掃描電鏡圖像中，可以清楚看到這種粘結顆粒的存在：

圖3. 金屬粉末掃描電鏡圖像中觀察到的衛(wèi)星顆粒

衛(wèi)星顆粒也是影響粉末流動性的主要參數(shù)之一。對于衛(wèi)星顆粒，Camsizer可以用b/l（寬長比）來進行表征：

公式中Xc min是顆粒的投影寬度，XFe max是顆粒的投影長度。下圖是幾種金屬粉末寬長比及球形度的測試結果舉例：

圖4. 幾種金屬粉末的寬長比測試結果

由上圖可知，寬長比b/l數(shù)值越接近1，代表衛(wèi)星顆粒含量越少。

更厲害的是，Camsizer還可以繪制球形度（或寬長比）隨粒度分布曲線，該曲線可以反映出樣品在哪個粒度時球形度（或b/l）較好，哪個粒度時球形度（或b/l）較差，可以用篩分將樣品進行篩選。

圖5. 球形度隨粒度分布曲線

隨著增材制造的快速發(fā)展，原材料質量監(jiān)控環(huán)節(jié)及其原材料檢測技術也需要加快發(fā)展，才能為整個制造過程把好關。

其中，元素分析和粒度粒形檢測是重要環(huán)節(jié)。檢測元素濃度的方法有很多，為了使所有待檢測的元素釋放出來，大多數(shù)方法需要進行樣品前處理，而采用燃燒或熔融法，樣品則可以直接進樣測量，不需要進行前處理，方法簡單可靠。

Eltra的Elementrac ONH-p系列氧氮氫分析儀，采用惰性熔融法，有先進的脈沖爐技術，配備高靈敏度和性能穩(wěn)定的紅外檢測池及熱導池，使得該儀器具有優(yōu)異的檢測精確度和重復性，此外，儀器使用簡單方便，測量范圍從幾個ppm到百分含量，能滿足3D打印金屬粉末的含量范圍。

檢測3D打印用金屬粉末粒度粒形時，采用以動態(tài)圖像法為原理的Retsch Technology的Camsizer粒度粒形儀，可以實現(xiàn)一次進樣，同時得到粒度及粒形信息。與激光法和靜態(tài)圖像法相比，動態(tài)圖像法還具有進樣量大，檢測時間通常只需要1-3 min，分辨率高，重復性好等優(yōu)點，所以能大大提高質量監(jiān)控效率。
編輯：南極熊
文章來源：德國retsch（萊馳）
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