秒讀金屬3D打印粉末技術(shù)指標(biāo)

文：深圳微納

3D打印作為一種新興的制造技術(shù)，近年來發(fā)展迅速。然而，對(duì)于工業(yè)級(jí)金屬3D打印領(lǐng)域，粉末耗材仍是制約該技術(shù)規(guī)模化應(yīng)用的重要因素之一。目前，國內(nèi)尚未制訂出金屬3D打印用材料標(biāo)準(zhǔn)、工藝規(guī)范、零件性能標(biāo)準(zhǔn)等行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)或國標(biāo)。業(yè)內(nèi)對(duì)于金屬粉末的評(píng)價(jià)指標(biāo)，主要有化學(xué)成分、粒度分布、粉末的球形度、流動(dòng)性、松裝密度。其中，化學(xué)成分、粒度分布是金屬3D打印領(lǐng)域用于評(píng)價(jià)金屬粉末質(zhì)量的常用指標(biāo)，球形度、流動(dòng)性、松裝密度可作為評(píng)價(jià)質(zhì)量的參考指標(biāo)。

1、化學(xué)成分：金屬粉末中各元素實(shí)際所占的質(zhì)量百分比（wt. %）。

以上表為例，在該合金中Al元素的檢測(cè)數(shù)據(jù)為6.25，表示Al元素在該合金所占的質(zhì)量百分比為6.25%，其它元素質(zhì)量百分比可以此類推。目前，金屬化學(xué)成分檢測(cè)應(yīng)用最廣的方法是化學(xué)分析法和光譜分析法�；瘜W(xué)分析法是利用化學(xué)反應(yīng)來確定金屬的組成成分，可以實(shí)現(xiàn)金屬化學(xué)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溫、高能量的激發(fā)下產(chǎn)生的自己特有的特征光譜來確定金屬的化學(xué)成分及大致含量，一般用于金屬化學(xué)成分的定性分析。以上兩種方法都要使用專業(yè)的檢測(cè)設(shè)備，由專業(yè)的檢測(cè)機(jī)構(gòu)的人員完成。

大部分鑄態(tài)、鍛造的金屬的化學(xué)成分都有相應(yīng)的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)或國標(biāo)，以評(píng)價(jià)該金屬的化學(xué)成分指標(biāo)是否合格。然而，用于金屬3D打印的粉末技術(shù)新穎，業(yè)內(nèi)尚無相應(yīng)的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)或國標(biāo)，業(yè)內(nèi)通常認(rèn)可的評(píng)價(jià)方法是沿用該金屬粉末對(duì)應(yīng)的鑄態(tài)標(biāo)準(zhǔn)，或在該標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上雙方協(xié)商放寬指標(biāo)要求。

對(duì)于金屬3D打印而言，因?yàn)榇蛴∵^程中金屬重熔后，元素以氣體形態(tài)存在，有可能在局部生成氣眼等缺陷，影響工件致密性及力學(xué)性能。所以，對(duì)不同體系的金屬粉末，氧含量均為一項(xiàng)重要指標(biāo)，業(yè)內(nèi)對(duì)該指標(biāo)的一般要求在1500ppm（ppm：百萬分之一）以下，也即氧元素在金屬中所占的質(zhì)量百分比在0.13~0.15%之間，航空航天等特殊應(yīng)用領(lǐng)域，客戶對(duì)此指標(biāo)的要求更為嚴(yán)格。部分客戶也要求控制氮含量指標(biāo)，一般要求在500ppm以下，也即氮元素在金屬中所占的質(zhì)量百分比在0.05%以下。

2、粒度分布：不同尺寸的金屬粉末顆粒的在一定尺寸區(qū)間內(nèi)所占的體積百分比的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，此數(shù)據(jù)呈正態(tài)分布。

以上圖為例，金屬粉末顆粒粒度分布結(jié)果中，d(10)=17.290μm，代表尺寸小于17.290μm的粉末體積所占比例不低于10%。以此可知，該粉末中，尺寸小于33.478μm的粉末比例不低于50%，小于57.663μm的粉末比例不低于90%。

金屬粉末的粒度分布可以通過激光粒度分析儀分析。金屬3D打印常用的粉末的粒度范圍是15~53μm（細(xì)粉），53~105μm（粗粉）。此粒度范圍是根據(jù)不同的能量源的金屬打印機(jī)劃分的，以激光作為能量源的打印機(jī)，因其聚焦光斑精細(xì)，較易熔化細(xì)粉，適合使用15~53μm的粉末作為耗材，因?yàn)榇肆６确秶鷥?nèi)的粉末既有良好的流動(dòng)性，又較易容化，粉末補(bǔ)給方式為逐層鋪粉；以等離子束作為能量源的打印機(jī)，聚焦光斑略粗，更適于熔化粗粉，適合使用53~105μm的粉末作為耗材，粉末補(bǔ)給方式為同軸送粉。

3、球形度、松裝密度、流動(dòng)性等參考指標(biāo)

球形度也就是金屬粉末顆粒接近球體的程度，一般通過掃描電子顯微鏡（SEM）定性的分析。上面兩個(gè)圖為不同金屬粉末的SEM形態(tài)照片，可以看出，上圖粉末顆粒的球形度要優(yōu)于下圖粉末。一般而言，球形度佳，粉末顆粒的流動(dòng)性也比較好，在金屬3D打印時(shí)鋪粉及送粉更容易進(jìn)行。

流動(dòng)性是指以一定量金屬粉末顆粒流過規(guī)定孔徑的量具所需要的時(shí)間，通常采用的單位為s/50g，可以通過霍爾流速計(jì)測(cè)量，數(shù)值愈小說明該粉末的流動(dòng)性愈好。流動(dòng)性也可以用休止角表征，休止角指在重力場(chǎng)中，顆粒在金屬粉末堆積層的自由斜面上滑動(dòng)時(shí)所受重力和粒子之間摩擦力達(dá)到平衡而處于靜止?fàn)顟B(tài)下測(cè)得的最大角。這是一種檢驗(yàn)金屬粉末流動(dòng)性的簡(jiǎn)易方法，休止角越小，摩擦力越小，流動(dòng)性越好，越有利于鋪粉及送粉的進(jìn)行。

松裝密度是直接鋪粉得到的金屬粉末在一定體積內(nèi)的質(zhì)量，可以通過漏斗法測(cè)量。松裝密度僅作為參考指標(biāo)，表征粉末在補(bǔ)給過程中堆垛密實(shí)程度，其對(duì)于金屬打印的終產(chǎn)品的密度影響并不確定。

以上是目前業(yè)內(nèi)用于評(píng)價(jià)用于金屬3D打印粉末質(zhì)量的技術(shù)指標(biāo)介紹，由深圳微納增材技術(shù)有限公司提供，供讀者參考。該公司聯(lián)合上海大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)等業(yè)內(nèi)領(lǐng)先的金屬材料研發(fā)團(tuán)隊(duì)，開展球形粉生產(chǎn)技術(shù)研發(fā)及生產(chǎn)，專注提供鈦合金粉末、鎳合金粉末、不銹鋼粉末、鋁合金粉末、模具鋼粉末等各類工業(yè)級(jí)金屬3D打印粉末耗材。該公司產(chǎn)品在全球范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)了廣泛的銷售，獲得了客戶的高度認(rèn)可。

來源：深圳微納