綜述：粉末原料特性對(duì)SLM打印零件性能影響的研究（終篇）

5.粉末粒度對(duì)原料性能的影響

基于所涉及的各種粉末特性，形態(tài)和粒度被認(rèn)為是可能影響次級(jí)粉末參數(shù)的主要因素，這些參數(shù)共同描述了原料行為。雖然研究強(qiáng)調(diào)了在SLM加工過(guò)程中利用高球形度粉末的明顯優(yōu)勢(shì)，但在粗細(xì)顆粒的混合搭配方面卻沒(méi)有最佳的尺寸分布模型來(lái)量化原料質(zhì)量。因此，以下章節(jié)將討論粉末粒度對(duì)粉末性能的影響，并探討粉末特性之間的相互關(guān)系。

5.1.表面積

氧化物污染對(duì)粉末顆粒度的影響可以根據(jù)各品級(jí)粉末中發(fā)現(xiàn)的顆粒大小和粗細(xì)顆粒組成的數(shù)量進(jìn)行評(píng)估。換句話說(shuō)，與高斯分布等級(jí)相比，多峰態(tài)或傾斜的粉末可能傾向于包含更高的細(xì)顆粒濃度，并表現(xiàn)出更大的凈表面積。另外，假設(shè)大多數(shù)粉末顆粒是高度球形的，均勻分布的間隙膜包裹著這些顆粒，那么比表面（A/V）可以簡(jiǎn)單地使用球形公式得出："表面積，A = 4πr2 "和"體積，V = 4/ 3πr3"，其中半徑r代表平均顆粒尺寸。從技術(shù)上講，由于表面積的擴(kuò)大，污染程度應(yīng)該隨著平均粉末尺寸的減小而增加[132]。這顯示在圖25中，在SLM中使用的不同金屬粉末中，觀察到比表面隨著顆粒大�。―90）的減小而增加。在這種情況下，與較粗的等級(jí)相比，具有較高比表面值的細(xì)粉可能更快發(fā)生氧化。

圖25.粉末尺寸（D90）與比表面[117]。

另一種用于測(cè)量粉末表面積的方法是Brunauer、Emmett和Teller（BET）分析，它通過(guò)吸附氣體的位移確定顆粒表面的物理吸附量，從而評(píng)估粉末的總表面積[16]。在Simchi的研究中[133]，BET技術(shù)被用來(lái)比較用于直接金屬激光燒結(jié)（DMLS）的不同平均粒徑的GA和WA鐵粉的表面積，如表2所示，可以看到在各品級(jí)粉末中包含最小顆粒的A粉（MPS=13.4μm）擁有最高的表面積（Sa=4202m2/g）。在GA粉末中發(fā)現(xiàn)氧含量相當(dāng)高（O = 0.12%），鑒于其霧化性質(zhì)，這是不尋常的。GA粉末中的氧化物含量可能是由于顆粒細(xì)化導(dǎo)致表面積的增加，從而導(dǎo)致更高的氧氣夾雜。此外，在B粉中發(fā)現(xiàn)的最高的氧含量可能突出了由于WA和降低平均粒徑導(dǎo)致的高氧化物夾雜物的復(fù)合影響。同時(shí)，以前的研究[71,133]強(qiáng)調(diào)，使用更細(xì)的顆粒后，表面積的擴(kuò)大通過(guò)增加激光吸收而對(duì)零件的致密化特別有利。然而，粉末污染的風(fēng)險(xiǎn)也可能增加，從而導(dǎo)致加工問(wèn)題（如球化），預(yù)計(jì)在合成高活性合金時(shí)將更加明顯。粉末顆粒周圍的氧化膜也表現(xiàn)出比母體金屬高得多的熔點(diǎn)，如果沒(méi)有更高的能量密度水平的幫助，很難將其分解。即使成功熔化，一些未溶解的氧化物化合物也會(huì)大幅提高激光吸收率[124]，增加熔池溫度，可能會(huì)產(chǎn)生更大的梯度，進(jìn)一步導(dǎo)致凝固部分積累更高的殘余應(yīng)力。然而，需要進(jìn)行更多的研究來(lái)對(duì)AM原料進(jìn)行表面積分析，以便在不同的尺寸分布模型和表面積數(shù)據(jù)之間建立一個(gè)結(jié)論性的關(guān)系，并與測(cè)量的氧含量相關(guān)，以量化對(duì)粉末污染的影響。

5.2.堆積密度

一般來(lái)說(shuō)，尺寸分布較寬、含有足夠數(shù)量的細(xì)顆粒粉末往往會(huì)表現(xiàn)出較高的堆積密度。在粉末冶金學(xué)中，粉末粒度分布被認(rèn)為是對(duì)粉末材料的堆積行為影響最大的特性[134]。過(guò)去還開(kāi)發(fā)了一些經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ蛠?lái)研究相對(duì)于粒度分布的粉末堆積配置[135-138]。這些研究說(shuō)明了用于優(yōu)化兩種主要粒度分布的粉末堆積密度的不同方法：（1）連續(xù)（高斯）和（2）非連續(xù)（多模式）。各項(xiàng)研究都有一個(gè)基本概念，即主要通過(guò)添加與松散顆粒網(wǎng)絡(luò)中的孔隙相當(dāng)?shù)母��?xì)的顆粒來(lái)減少粗粉基體中的空隙來(lái)提高堆積效率。Andersen方程的重點(diǎn)是通過(guò)加入大量的細(xì)顆粒來(lái)填補(bǔ)較粗顆粒之間的隨機(jī)空隙，從而改善高斯尺寸分布的粉末堆積密度[138]。然而，這種數(shù)值方法對(duì)于SLM粉末來(lái)說(shuō)可能并不可行，因?yàn)楸仨毷褂?0μm以下的顆粒，從而造成粉末處理問(wèn)題。然而，事實(shí)證明，具有寬尺寸分布的粉末比窄尺寸分布的粉末表現(xiàn)出更好的堆積行為，其中包含的細(xì)顆粒擴(kuò)大了尺寸分布寬度，預(yù)測(cè)的最佳堆積密度達(dá)到96%[139]。此外，擴(kuò)大的尺寸分布也增加了其標(biāo)準(zhǔn)偏差，這表明減少了空隙尺寸，并降低了整體堆積孔隙率[140]。對(duì)于用于SLM加工的粉末，可以觀察到類似的粒度對(duì)堆積密度的影響，Liu等人[85]報(bào)告說(shuō)，與典型的高斯分布等級(jí)(10-45μm)相比，具有偏斜粒度分布和較高數(shù)量的細(xì)顆粒的粉末(如圖26所示)也表現(xiàn)出較高的表觀密度、粉床密度和振實(shí)密度，超過(guò)了4%。Engeli等人的研究[78]中報(bào)告的鎳合金粉末的振實(shí)密度也隨著尺寸分布跨度的增加而升高（參考圖27）。然而，在具有可比跨度值的粉末中，密度值的差異不太明顯，而在分布跨度≥1.5的粉末中可能觀察到振實(shí)密度的飽和。

圖26.LPW和SO粉末的粉末特性[85]。

圖27.粉末分布跨度與攻絲密度[78]。

Furnas模型[136]是另一種用于提高粉末堆積密度的方法，通過(guò)添加離散直徑的細(xì)小顆粒，有效地滲入粗粉基體中的已知空隙尺寸，產(chǎn)生具有二級(jí)或三級(jí)峰值的多模態(tài)尺寸分布。如理論上所示，在添加與顆粒間空隙大小相當(dāng)?shù)募?xì)小顆粒后，正方體排列的單體粉末的堆積密度可以從74%提高到84%（參見(jiàn)表3）[141]。第三種成分的添加也可以進(jìn)一步消耗剩余的空隙，達(dá)到95.7%的更高的堆積密度[142]。雖然實(shí)際的粉末很難以理想的方式排列，但同樣的堆積致密化技術(shù)可以通過(guò)具有狹窄尺寸分布的粗粉和細(xì)粉等級(jí)的組合來(lái)實(shí)現(xiàn)最佳的成分和尺寸比，表現(xiàn)出最大的堆積密度（參考圖28）。粗顆粒和細(xì)顆粒之間的尺寸比通常也是根據(jù)基礎(chǔ)粉末的現(xiàn)有空隙大小和形態(tài)來(lái)確定的，而要添加的細(xì)顆粒的數(shù)量則取決于各自粉末的表觀密度。早前也有研究表明，有效的堆積密度改善是從粗細(xì)尺寸比為1:7時(shí)開(kāi)始的，其中細(xì)顆粒能夠通過(guò)粗粉基體的三角孔滲入[141]。在粗粉基體中加入30%的細(xì)粉，可達(dá)到的最大堆積密度為84%。后來(lái)[69]采用了雙峰法來(lái)提高DMLS鎳粉的堆積密度。據(jù)報(bào)道，使用10:1的尺寸比，添加30%的細(xì)顆粒后，粉末層密度從53%增加到>60%。Zhu等人[142]也報(bào)告說(shuō)，當(dāng)細(xì)顆粒的數(shù)量增加10%時(shí)，銅合金粉末的表觀密度從76.9%提高到87.6%。Olakanmi等人[105]研究了Al粉末的多模態(tài)混合物，其中包含粗、中、細(xì)顆粒的三模態(tài)等級(jí)，其尺寸比為5:2:1，成分比為75:20:5 wt%，在加入細(xì)顆粒（10-14μm）后，其振實(shí)密度比雙模態(tài)等級(jí)略有增加（3%～）。文獻(xiàn)表明，添加細(xì)顆粒對(duì)改變粉末堆積密度有影響，這可能使高斯分布發(fā)生傾斜或產(chǎn)生多模態(tài)分布，這兩種方法都會(huì)導(dǎo)致尺寸分布寬度的擴(kuò)展。此外，多模態(tài)方法可以提供一個(gè)更直接的解決方案來(lái)改善堆積行為，因?yàn)榕c未知空隙的隨機(jī)分布相比，空隙大小通常是預(yù)先確定的。然而，盡管現(xiàn)有的方法可以通過(guò)細(xì)小顆粒的加入來(lái)提高粉末的堆積密度，但要定義一個(gè)提供最佳堆積行為的標(biāo)準(zhǔn)尺寸分布是很有挑戰(zhàn)性的，因?yàn)榉勰┑牧鲃?dòng)性也會(huì)同時(shí)受到影響，這將在下一小節(jié)討論。

表3不同配比模式下的堆積排列和密度[142]

圖28.粒度組成與包裝密度的關(guān)系[143］

5.3.流動(dòng)性

如前所述，細(xì)顆粒與粗粉的混合可以通過(guò)有效的尺寸混合和滲濾，為提高粉末堆積密度提供有益的效果。然而，另一方面，由于粉末內(nèi)聚力和顆粒間作用力的增加，細(xì)顆粒的加入會(huì)給流動(dòng)性帶來(lái)一定的缺陷。包括范德瓦耳斯吸引力在內(nèi)的顆粒粘附力通常對(duì)細(xì)小的顆粒來(lái)說(shuō)更為固有，在那里很容易形成團(tuán)聚，增加了顆粒間的摩擦力，從而導(dǎo)致流變性能不佳。如[133]所示，在平均粒徑<<30μm的羰基鐵粉等級(jí)中，團(tuán)聚系數(shù)（φ=粉床密度/振實(shí)密度）小于1（φ≈0.80），表明存在團(tuán)聚問(wèn)題。如圖29所示，粉末的流動(dòng)性隨著顆粒大小的減小而變得更加受限[54]。由此產(chǎn)生的團(tuán)聚效應(yīng)也可能不利于粉末的表觀密度，因?yàn)榧?xì)小的顆粒大多會(huì)相互粘連，形成不規(guī)則形狀的粉末團(tuán)，而不是填充粗大基體中的顆粒間空隙。

圖29.粉末尺寸與表觀密度（左）和霍爾流量（右）的關(guān)系[54]。

通過(guò)比較不同粉末粒度分布的流動(dòng)行為，如圖26所示，較寬的粒度分布等級(jí)會(huì)比較窄的等級(jí)出現(xiàn)流動(dòng)退化，HR分別為1.22和1.16。雖然這兩種粉末仍被認(rèn)為是自由流動(dòng)的，但較寬的粒度分布寬度可能導(dǎo)致流變性能下降，這反映在HR下降了～5%。在Engeli等人的工作中也發(fā)現(xiàn)了類似的觀察結(jié)果[78]，粒度分布跨度較大的粉末會(huì)導(dǎo)致流動(dòng)性降低。圖30是該研究的翻版，顯示粉末分布跨度≤1.5的粉末表現(xiàn)出良好的流動(dòng)性（HR≤1.25），而跨度>1.5的粉末顯示出流動(dòng)阻力的跡象（HR≈1.26-1.32）。特別是，大多數(shù)分布跨度大于1.5的粉末（除D粉外）至少含有15%的小于10米的顆粒，這可能強(qiáng)調(diào)了由于細(xì)小顆粒的存在而導(dǎo)致的流動(dòng)性降低。在Gu等人的另一項(xiàng)研究中[103]，與使用AOR方法測(cè)量的高斯等級(jí)（AOR=40.1◦和31.8◦）相比，含有較多細(xì)顆粒的雙峰Ti6Al4V粉末表現(xiàn)出較高的流動(dòng)阻力（AOR=55.2◦）。分布較寬的高斯粉末具有較大的標(biāo)準(zhǔn)偏差（SD = 10.18 μm），比較窄的等級(jí)（SD= 8.71 μm）表現(xiàn)得更有凝聚力，這可以重申分布寬度對(duì)流變行為的影響。盡管有一個(gè)中等的標(biāo)準(zhǔn)偏差（SD = 9.7 μm），但雙峰級(jí)顯示出最小的流動(dòng)性，這可能進(jìn)一步表明，與增加粉末跨度（高斯）相比，當(dāng)含有過(guò)量的細(xì)顆粒（多峰級(jí)）時(shí)，對(duì)粉末流變學(xué)有更不利的影響。因此，細(xì)顆粒的添加應(yīng)在實(shí)現(xiàn)最大堆積密度和流動(dòng)性之間進(jìn)行比例分配，以優(yōu)化粉末性能。此外，還應(yīng)該考慮導(dǎo)致流動(dòng)惡化的其他因素，包括由于粒度細(xì)化導(dǎo)致的表面積擴(kuò)大、不規(guī)則的顆粒形態(tài)和不良的表面條件（如水分、粗糙的氧化皮）。如果為了實(shí)現(xiàn)更好的零件精度而進(jìn)一步減少加工層厚度，這對(duì)SLM工藝來(lái)說(shuō)也是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)，因?yàn)楦鶕?jù)Karapatis等人的尺寸標(biāo)準(zhǔn)[69]，可能需要比(D10μ 10 μm)更細(xì)的顆粒來(lái)生成合適的粉末層密度。

圖30.分布跨度與豪斯納比率（重繪自[78]）。

5.4.熱性能

相對(duì)于粉末的顆粒度，激光束下產(chǎn)生的堆積密度和局部顆粒排列將大大影響輻照源和沉積原料之間的熱相互作用。換句話說(shuō)，激光吸收的程度隨著暴露在輻照光束區(qū)域下的顆粒數(shù)量而變化，當(dāng)粉末堆積密度增加時(shí)，熱吸收率會(huì)更高，這涉及到緊密堆積的顆粒群內(nèi)更大的表面反射。Boley等人[124]使用射線追蹤模型，觀察到與平均粒徑為27μm的高斯分布粉末相比，尺寸比為7:1、細(xì)顆粒含量為20%的雙峰形粉末的平均激光吸收率更高（參考圖31）。雙峰配置中較高的細(xì)粉濃度增加了光束覆蓋下的顆粒數(shù)量，這與顆粒表面被輻照的概率較高有關(guān)，從而增加了激光吸收。在一項(xiàng)單獨(dú)的研究中，激光能量吸收的增加也可能是由于粉末平均粒徑的細(xì)化，根據(jù)文獻(xiàn)[133]，這使得暴露在輻照源下的粉末表面面積擴(kuò)大。然而，由于實(shí)際粉末的任意分散行為構(gòu)成了暴露在激光源下的局部顆粒堆積的變化，熱吸收率值經(jīng)常在沿粉床的不同點(diǎn)上波動(dòng)。除了熱吸收模式分析，OPD還可以幫助進(jìn)一步了解粉末顆粒度對(duì)熱相互作用的影響，其中可以評(píng)估從粉末表面反射并通過(guò)多重散射進(jìn)一步傳輸?shù)降讓宇w粒和/或基材的未吸收輻照能量的數(shù)量。早些時(shí)候，F(xiàn)ischer等人[29]觀察到顆粒大小分別為<<20m和50-75μm的鎳粉等級(jí)之間的OPD相差10倍（20μm vs200μm）。由于與OPD相關(guān)的光束滲透深度取決于堆積密度和尺寸分布，具有高堆積密度的粉末床通常允許較少的輻照光束滲透，然后與多孔結(jié)構(gòu)相比，表現(xiàn)出較小的OPD，并增加熱吸收率。Zhang等人[22]也報(bào)告說(shuō)，與尺寸較粗的粉末(20μm<

圖31.雙峰型和高斯型粉末的熱吸收率比較[124]。

粉末顆粒通常以點(diǎn)接觸的方式排列在粉床上，而顆粒間的空隙通常被惰性大氣介質(zhì)填充，這些介質(zhì)是熱的不良導(dǎo)體。因此，在SLM過(guò)程中，粉末床能否有效地將熱量從熔池中傳導(dǎo)出去并通過(guò)周圍的顆粒，主要取決于其尺寸分布影響下的堆積結(jié)構(gòu)，而不是材料的體積導(dǎo)熱性。在[144]中顯示，較高的相對(duì)堆積密度會(huì)增加金屬粉末的導(dǎo)熱性（參考圖32）。相應(yīng)地，高配位數(shù)和增加的粉末顆粒接觸也可以對(duì)應(yīng)更大的熱傳導(dǎo)程度。Gusarov等人[145]證明了這一點(diǎn)，與其他晶體結(jié)構(gòu)（BCC、SC和Diamond）相比，具有最密集堆積結(jié)構(gòu)（FCC）和最高配位數(shù)（N = 12）的單尺寸球體獲得最高的熱傳導(dǎo)率。Zhou等人[146]也模擬了顆粒堆積模型，他們報(bào)告說(shuō)，雙模式粉末配置表現(xiàn)出兩個(gè)不同的配位數(shù)，分別對(duì)應(yīng)于粗粉和細(xì)粉的單個(gè)粒子接觸。Zhou等人[146]也模擬了粒子堆積模型，他們報(bào)告說(shuō)，雙模式粉末配置表現(xiàn)出兩個(gè)不同的配位數(shù)，分別對(duì)應(yīng)于粗粉和細(xì)粉的單個(gè)粒子接觸（見(jiàn)圖33）。雙模態(tài)混合物由配位數(shù)較低的細(xì)顆粒（N = 4）和較粗的顆粒（N = 8）組成，而單一尺寸的粉末只顯示出單一配位數(shù)（N = 6）。盡管在多模態(tài)粉末中觀察到顆粒接觸的這種不連續(xù)趨勢(shì)，但正如Gu等人所報(bào)告的那樣，雙模態(tài)Ti6Al4V粉末的熱導(dǎo)率仍然比高斯粉末等級(jí)高出40%[103]。關(guān)于早期的研究，雙模態(tài)粉末中包含的細(xì)小顆粒可以提供更好的堆積性能，但由于堆積密度的增加或更高的配位數(shù)/顆粒接觸，其對(duì)改善熱導(dǎo)率的有效性仍不清楚，需要對(duì)具有不同顆粒度數(shù)據(jù)的粉末等級(jí)進(jìn)行更詳細(xì)的熱導(dǎo)率測(cè)量。這樣的熱導(dǎo)率值將有助于未來(lái)的激光粉床數(shù)值模擬和傳熱模型，以實(shí)現(xiàn)更好的粉末到零件的質(zhì)量預(yù)測(cè)。

圖32.相對(duì)粉末密度與導(dǎo)熱率的關(guān)系[144]。

圖33.顆粒分布與配位數(shù)[146]。

6.粉末顆粒度對(duì)零件性能的影響

粉末顆粒度對(duì)各種零件特性的潛在影響，包括密度、機(jī)械性能、微觀結(jié)構(gòu)和表面質(zhì)量，將在以下章節(jié)中討論。

6.1.零件密度

零件密度是一個(gè)主要的質(zhì)量指標(biāo)，它決定了通過(guò)增材手段（包括SLM）制造的部件的可用性。除了需要多孔材料的應(yīng)用外，SLM部件最好能達(dá)到較高的部件密度(>95%)，因?yàn)闅埩舻目紫锻�往�?huì)導(dǎo)致機(jī)械性能和整體部件性能的下降[147]。多孔性缺陷通常在SLM部件中被發(fā)現(xiàn)，因?yàn)榕c粉末有關(guān)的故障和不合適的加工參數(shù)導(dǎo)致了收縮、球化和汽化效應(yīng)[9]。此外，次級(jí)粉末的特性，如化學(xué)成分中的高氧化物含量和不良的堆積密度，會(huì)對(duì)零件的致密化造成不利影響。然而，文獻(xiàn)中較少討論粉末顆粒度對(duì)最終零件密度的主要影響，但可以提出與尺寸分布有關(guān)的零件致密化的潛在影響。

Spierings等人[58]報(bào)告說(shuō)，具有不同尺寸屬性的316L粉末產(chǎn)生的零件密度與所使用的工藝窗口密切相關(guān)。在所有的能量密度水平和使用的層厚(30μm和45μm)中，具有最細(xì)粒徑的高斯級(jí)(D90=30.8μm)獲得最佳的零件密度。在最粗的負(fù)偏斜粉末(D90 = 59.7μm)中存在的細(xì)小顆粒(μ10-15μm)也比中間大小的高斯級(jí)(D90=41.3μm)在30μm的層厚和35-60J/mm3的低能量密度范圍內(nèi)產(chǎn)生更好的部件密度。然而，層厚增加到45μm時(shí)，顯示出更細(xì)的粉末產(chǎn)生了更致密的部件。因?yàn)榕c更粗的偏斜等級(jí)相比，實(shí)現(xiàn)了更完整的熔化。因此，根據(jù)整體的粉末尺寸，偏斜粉末中較高濃度的細(xì)顆粒在30米層促進(jìn)了更明顯的熔化，而后來(lái)在45μm層厚（有效層厚=74μm）發(fā)生優(yōu)先熔化的情況下，這種影響就會(huì)減弱。從本質(zhì)上講，使用細(xì)粒度的粉末可以通過(guò)實(shí)現(xiàn)顆粒的完全熔化，比粗粒度的粉末提供更好的部件致密化。Liu等人[85]比較了具有不同分布寬度的316L牌號(hào)，并報(bào)告了在掃描速度>150毫米/秒時(shí)，分布較寬的粉末（SO）具有更好的零件致密化結(jié)果，而較窄的牌號(hào)（LPW）在較慢的掃描速度（100毫米/秒）下表現(xiàn)更好（參見(jiàn)圖34）。這可能表明，在低速和高能量密度條件下，較細(xì)的顆粒有較高的汽化趨勢(shì)，這很可能在凝固時(shí)啟動(dòng)匙孔熔化并誘發(fā)孔隙。此外，粗粉等級(jí)可能隨著能量密度的增加而受到較小的影響，因?yàn)檩^大的顆粒需要更長(zhǎng)的時(shí)間來(lái)實(shí)現(xiàn)完全熔化，這就降低了材料汽化的概率。當(dāng)掃描速度提高到150毫米/秒及以上時(shí)，SO粉產(chǎn)生的零件密度比LPW高，這可能表明細(xì)顆粒在促進(jìn)快速熔化而不發(fā)生汽化方面的有益作用。Gu等人[103]比較了高斯和多模態(tài)Ti6Al4V等級(jí)之間的零件致密化效果，發(fā)現(xiàn)高斯Ti6Al4V粉末的孔隙率比雙模態(tài)等級(jí)高。據(jù)稱，雙峰級(jí)的熱導(dǎo)率較高，可產(chǎn)生更寬的熔池，允許更多的熔體重疊，從而防止相鄰軌道之間形成孔隙。此外，根據(jù)文獻(xiàn)[105]，多模態(tài)粉末的更有效的粉末堆積行為可能有助于提高零件的致密性。根據(jù)這些研究，與較粗的粉末相比，使用細(xì)粒度的粉末通常需要較低的能量密度來(lái)實(shí)現(xiàn)顆粒的完全熔化。此外，細(xì)顆粒的加入有助于提高與粉末堆積密度相關(guān)的部分致密化，但需要與工藝參數(shù)相輔相成，以達(dá)到最佳效果。同時(shí)，還需要進(jìn)一步的研究來(lái)驗(yàn)證粉末汽化發(fā)生前允許的細(xì)顆粒的大小和組成，這可能與粉末的堆積密度以及熱吸收率有關(guān)系。

圖34.不同掃描速度下的商用316L粉末的部分密度[85]。

6.2.機(jī)械性能

采用金屬增材制造的一個(gè)關(guān)鍵舉措是，與傳統(tǒng)的機(jī)械加工或鑄造方法相比，AM可以生產(chǎn)出性能優(yōu)越的結(jié)構(gòu)部件。因此，除了設(shè)計(jì)靈活性和材料效率方面的優(yōu)勢(shì)外，金屬增材制造部件的機(jī)械性能預(yù)計(jì)將等同于甚至超過(guò)傳統(tǒng)技術(shù)制造的部件。從本質(zhì)上講，SLM部件通常具有較高的抗拉強(qiáng)度和較好的硬度，但與鍛造產(chǎn)品相比，其延展性較低，疲勞性能下降[148-150]。在SLM零件中也存在各向異性的行為，零件的機(jī)械性能取決于構(gòu)建方向、掃描策略以及零件布局[151-153]。工藝變量對(duì)機(jī)械性能的影響，包括激光功率、掃描速度、層厚和艙口間距，也在文獻(xiàn)中得到了廣泛的研究和充分的記錄[154-156]。關(guān)于粉末特性，已知材料成分中的氧化物和其他非金屬夾雜物會(huì)在熔池邊界發(fā)生偏析，從而凝固為晶界并影響機(jī)械性能[152]。然而，粉末粒度對(duì)機(jī)械性能的影響還沒(méi)有得到很好的理解，可能會(huì)產(chǎn)生與零件孔隙率有關(guān)的潛在影響。

Spierings等人[79]報(bào)告說(shuō)，與較細(xì)的粉末等級(jí)相比，較粗的顆粒度粉末可能會(huì)導(dǎo)致制造的零件中出現(xiàn)較大的空隙尺寸。盡管表現(xiàn)出負(fù)偏斜的特征（存在細(xì)顆粒），但最粗的粉末等級(jí)生產(chǎn)的零件的機(jī)械強(qiáng)度相對(duì)較低，其中可能沒(méi)有足夠的細(xì)顆粒來(lái)有效填充粗粉基體中的大空隙。擴(kuò)大的孔隙在拉伸載荷期間可能成為裂紋的引發(fā)者，導(dǎo)致生產(chǎn)的零件的極限拉伸強(qiáng)度（UTS）降低。另一方面，用細(xì)顆粒法生產(chǎn)的零件顯示出較低的延展性，這可能是由于在較大的表面積下有較高的激光吸收，延長(zhǎng)了過(guò)冷度，導(dǎo)致更細(xì)的微觀結(jié)構(gòu)和更高的抗拉強(qiáng)度。在另一項(xiàng)工作中，Liu等人[85]使用了兩種不同的316L牌號(hào)，其平均尺寸相當(dāng)，與較窄的牌號(hào)相比，較寬尺寸分布的粉末（負(fù)偏斜）產(chǎn)生的零件強(qiáng)度較低，伸長(zhǎng)率較高。與Spierings等人[79]不同的是，細(xì)小顆粒的存在可能引起了更快的熔化，延長(zhǎng)了熔池壽命，產(chǎn)生了更粗的晶粒結(jié)構(gòu)，降低了機(jī)械強(qiáng)度。同時(shí)，正如Gu等人[103]所報(bào)告的那樣，用雙峰Ti64V粉末生產(chǎn)的零件顯示出比高斯牌號(hào)稍高的超強(qiáng)度和較低的屈服強(qiáng)度。由于報(bào)告相互矛盾，需要進(jìn)行更多的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證研究和微觀結(jié)構(gòu)評(píng)估，以量化粉末粒度對(duì)機(jī)械性能的影響程度，特別是對(duì)要使用的細(xì)顆粒的尺寸和組成的影響。

6.3.微觀結(jié)構(gòu)

由于快速的加熱和冷凍循環(huán)，通過(guò)SLM工藝制造的金屬部件往往在晶粒尺寸、生長(zhǎng)形態(tài)和相的形成方面顯示出與傳統(tǒng)鑄造技術(shù)不同的微觀特征[157]。與傳統(tǒng)的凝固方法相比，極端的冷卻速率（103至108K/s）通常會(huì)產(chǎn)生相對(duì)更細(xì)的晶粒（<<1μm），也可能允許偏離平衡條件的可轉(zhuǎn)移相的成核。凝固晶粒的生長(zhǎng)模式在很大程度上取決于熔池的熱梯度，平面凝固通常發(fā)生在熔池和基體的界面上，然后演變成蜂窩狀和樹(shù)枝狀結(jié)構(gòu)。在狹窄的凝固窗口下，擴(kuò)散過(guò)程通常受到限制，很少發(fā)生第二相沉淀或結(jié)構(gòu)偏析，同時(shí)通常會(huì)獲得精細(xì)的初級(jí)和次級(jí)晶粒特征，為SLM部件提供顯著的機(jī)械強(qiáng)度[13]。SLM部件中的晶粒尺寸也可以通過(guò)修改工藝設(shè)置來(lái)控制，更快的掃描速度和更低的結(jié)果能量密度被證明可以產(chǎn)生更精細(xì)的微結(jié)構(gòu)[28,45]。據(jù)說(shuō)掃描速度的增加在熔池中提供了更大程度的過(guò)冷，這導(dǎo)致了更快的凝固速度和晶粒生長(zhǎng)的抑制。

在原料對(duì)零件微觀結(jié)構(gòu)的影響方面，據(jù)報(bào)道，原始粉末的化學(xué)成分會(huì)影響微觀成分相的形成[3,82]。Starr等人[82]表明，使用通過(guò)氮?dú)忪F化生產(chǎn)的17-4 pH SS粉末制造的零件主要包含奧氏體結(jié)構(gòu)(>96%)，而氬氣霧化粉末則實(shí)現(xiàn)了更多的馬氏體結(jié)構(gòu)(～76%)，即使兩種粉末都是在相同的SLM環(huán)境下加工。起始粉末中較高的殘余氮含量被認(rèn)為是為了使奧氏體得以保留，并穩(wěn)定了FCC相，而不是轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體結(jié)構(gòu)。另一方面，Simchi[133]報(bào)告說(shuō)，增加氧氣濃度會(huì)減少鐵零件的晶粒尺寸。由于氧化膜的存在，它可能增加了激光的吸收量，并誘發(fā)了更陡峭的熱梯度，從而產(chǎn)生了更大過(guò)冷度，以便更快速地發(fā)生凝固。由于工藝?yán)鋮s率與激光和粉末之間的熱相互作用有很強(qiáng)的親和力，相對(duì)于其堆積密度的熱特性以及粉末顆粒度也會(huì)對(duì)零件的微觀結(jié)構(gòu)產(chǎn)生一些影響。Averyanova等人[158]比較了由兩種具有不同粉末尺寸（D90<<16 μm和D90<< 25 μm）的GA高斯粉末生產(chǎn)的pH17-4零件的微觀結(jié)構(gòu)，與較粗的等級(jí)（6%）相比，較細(xì)的粉末產(chǎn)生的馬氏體相濃度更高（38%）。Olakanmi等人的另一項(xiàng)研究[105]報(bào)告說(shuō)，在其他雙峰混合體中，表現(xiàn)出最高振實(shí)密度的雙峰Al-Si粉末也實(shí)現(xiàn)了最精細(xì)的樹(shù)枝狀特征。這兩項(xiàng)研究都表明，細(xì)小的顆�？赡茉试S更高的熱傳導(dǎo)離開(kāi)熔池，并且與更細(xì)的微觀結(jié)構(gòu)結(jié)果相關(guān)的淬火能力更快。然而，在三模態(tài)鋁硅混合物中發(fā)現(xiàn)的更精細(xì)的顆粒尺寸(<<14μm)，與雙模態(tài)粉末(<<30μm)相比，可能會(huì)導(dǎo)致熔池壽命延長(zhǎng)，從而促進(jìn)晶粒生長(zhǎng)。然而，還需要進(jìn)一步的調(diào)查，因?yàn)槠渌�的粉末變化研究顯示了微觀結(jié)構(gòu)變化的有限證據(jù)，包括[103]，他報(bào)告了雙峰和高斯Ti6Al4V粉末中相似的晶粒生長(zhǎng)和組成相。Ardila等人[65]也觀察到新的和回收的IN718粉末批次中具有樹(shù)枝狀結(jié)構(gòu)的柱狀晶粒的可比性生長(zhǎng)行為，盡管在顆粒度上存在差異。通過(guò)比較上述研究中使用的材料類型[65,103,105]，與其他材料（Ti和Ni合金）相比，影響微觀結(jié)構(gòu)的冷卻速率的細(xì)微變化在更多的導(dǎo)熱材料（Al合金）中可能更容易觀察到�？偟膩�(lái)說(shuō)，顆粒度對(duì)微觀結(jié)構(gòu)變化的主要影響仍然是有限的，沒(méi)有直接的關(guān)聯(lián)，盡管粉末熱性能和所產(chǎn)生的微觀結(jié)構(gòu)尺寸之間的可能聯(lián)系可以在SLM過(guò)程中影響傳熱率的粉末尺寸分布和堆積密度的變化方面實(shí)現(xiàn)。

6.4.表面質(zhì)量

表面粗糙度是一個(gè)重要的指標(biāo)，它決定了AM部件的制造質(zhì)量，特別是對(duì)于需要優(yōu)秀的表面質(zhì)量（Ra =0.8 μm）以防止過(guò)早的疲勞故障的循環(huán)應(yīng)用[159]。雖然SLM部件的平均表面粗糙度（Ra= 8.75 μm）[4]通常優(yōu)于其他金屬AM技術(shù)，但要達(dá)到機(jī)器加工的表面質(zhì)量而不需要額外的操作，如拋光、噴丸或研磨，仍然是一個(gè)基本挑戰(zhàn)。在生產(chǎn)中，激光表面重熔（LSR）技術(shù)被用來(lái)通過(guò)熔池的重新分布來(lái)細(xì)化外圍層的粗糙輪廓，以均勻地填充空隙并改善表面質(zhì)量（Ra=1.5μm）[109]。然而，重新熔化的策略仍然是一個(gè)昂貴和耗時(shí)的程序，因?yàn)槊恳粚佣急仨氈匦聮呙�，以產(chǎn)生高度密集和表面增強(qiáng)的零件。由于逐層形成的性質(zhì)，大多數(shù)AM建造的結(jié)構(gòu)也表現(xiàn)出階梯狀的外觀，這與所生產(chǎn)的部件的輪廓相近，特別是對(duì)于從基體上以低傾斜角度（5-15◦）建造的特征。同時(shí)，更陡峭的剖面（>20◦）使階梯狀間隔之間的間隙最小化，但通過(guò)增加駐留在斜邊的部分熔化顆粒的數(shù)量而導(dǎo)致表面粗糙度[160]。此外，頂面粗糙度（垂直于建造方向）主要是由熔池的波紋運(yùn)動(dòng)造成的，而側(cè)面粗糙度（平行于建造方向）可能是在馬蘭戈尼對(duì)流和表面張力效應(yīng)下，熔體被吸引到層邊的結(jié)果[161]。因此，凝固的熔池的幾何特征將在決定零件堆積過(guò)程中每個(gè)成品層的表面粗糙度方面發(fā)揮重要作用。事實(shí)上，最常見(jiàn)的表面缺陷也被稱為球化現(xiàn)象，是在高掃描速度下熔池破裂的結(jié)果，它產(chǎn)生了不連續(xù)的表面，阻礙了涂覆裝置的運(yùn)動(dòng)，并通過(guò)非均勻的粉末沉積引發(fā)了孔隙[13,40]。在熔池駐留運(yùn)動(dòng)后的側(cè)面粗糙度上，由于起球而導(dǎo)致的表面質(zhì)量下降也更為普遍。另一方面，由低掃描速度和/或高激光功率產(chǎn)生的大熔池也會(huì)在凝固時(shí)產(chǎn)生粗糙的熔層表面并誘發(fā)球化[162]。因此，應(yīng)該使用足夠的激光能量輸入，使熔池在反沖壓力下變平，獲得更平滑的表面[29,161]。減少層厚也有助于通過(guò)減少階梯寬度來(lái)減少階梯效應(yīng)，但由于需要形成更多的層數(shù)，通常需要更長(zhǎng)的建造時(shí)間[160,163,164]。較窄的艙口距離也能改善零件的表面粗糙度，有利于相鄰軌道之間的熔體重疊[26,162]。這些影響大多與SLM過(guò)程中使用的能量密度有關(guān)，研究人員已經(jīng)開(kāi)發(fā)了各種物理和數(shù)值模型來(lái)預(yù)測(cè)表面質(zhì)量[160,165,166]。

關(guān)于粉末特性，零件的表面質(zhì)量直接受到粉末顆粒度的影響，使用較細(xì)的顆�？梢宰畲笙薅鹊販p少階梯效應(yīng)，因?yàn)樾枰�較小的層厚度[79,167]。相應(yīng)地，使用精細(xì)的粉末尺寸和層厚可以使SLM在表面質(zhì)量和零件分辨率方面優(yōu)于其他金屬AM系統(tǒng)[9]。如Spierings等人[79]所示，細(xì)粒度的粉末也會(huì)被更大幅度地熔化，并比粗粒度的粉末產(chǎn)生更好的表面質(zhì)量。此外，與較窄的等級(jí)(10-45μm)相比，分布較廣的粉末(0-45μm)產(chǎn)生的零件具有更好的側(cè)表面粗糙度[85]。Lee和Zhang[100]通過(guò)數(shù)值模擬也提出，與類似粒度范圍的負(fù)傾斜等級(jí)相比，具有較高細(xì)顆粒成分的正傾斜粉末產(chǎn)生了更平滑的熔池表面。然而，由于熱積聚效應(yīng)，細(xì)粉在建造具有傾斜度（～45◦）的尖銳邊緣時(shí)可能會(huì)帶來(lái)不利因素，產(chǎn)生更粗糙的表面[167]。根據(jù)所報(bào)道的研究，SLM零件的表面質(zhì)量似乎主要受粉末顆粒度的影響，即層厚和粉末堆積密度。細(xì)粒度的粉末通常需要較小的層厚，這可以減少階梯效應(yīng)以及表面粗糙度。另一方面，加入細(xì)小的顆粒，同時(shí)增加粉末堆積密度，也會(huì)產(chǎn)生穩(wěn)定和連續(xù)的熔池，產(chǎn)生更平滑的輪廓和零件表面。

7.總結(jié)

粉末粒度對(duì)SLM工藝中的原料和零件性能的影響已經(jīng)在這項(xiàng)工作中得到審查，并分別在表4和表5中進(jìn)行了總結(jié)。在PBF技術(shù)中使用的粉末材料往往由于工藝干擾（機(jī)械、熱等）而在尺寸分布上發(fā)生變化，這將延伸到其他粉末特性上，并影響最終的零件質(zhì)量。因此，重要的是要調(diào)查由于粒度變化而產(chǎn)生的各種加工影響，并為原料制造、優(yōu)化、表征、鑒定以及專門為SLM工藝的選擇建立進(jìn)一步的依據(jù)。在粉末特性中，形態(tài)和粒度屬性主要是交織在一起的，可以決定原料的其他物理和化學(xué)行為。堆積密度和流動(dòng)性構(gòu)成了SLM加工前原料鑒定的基礎(chǔ)，并直接受到顆粒度變化的影響，這就要求高度重視對(duì)各自參數(shù)的優(yōu)化。

較高的粉末堆積密度通常出現(xiàn)在具有偏斜特征的較寬的高斯分布等級(jí)和多模態(tài)粉末分布中，其中小比例的細(xì)顆粒被有意加入，以便在適當(dāng)?shù)某叽绾统煞直壤�下通過(guò)粗粉之間的堆積空隙滲入。相比之下，多模態(tài)粉末(≥10%)比偏斜高斯等級(jí)(<<5%)有更明顯的粉末堆積密度改善。相應(yīng)地，粉末堆積行為的增強(qiáng)可以增加顆粒在激光照射下的存在感，這在固結(jié)過(guò)程中提高了熱吸收率，兩者都對(duì)應(yīng)于更高的部件致密化。此外，改進(jìn)堆積還可以提高粉床的導(dǎo)熱性，涉及到更多的顆粒接觸，以增強(qiáng)熱傳導(dǎo)。然而，過(guò)量(>>15%)添加的細(xì)顆粒(<<10μm)會(huì)降低粉末的流動(dòng)性，影響沉積過(guò)程中涂覆裝置的性能，導(dǎo)致可能的偏析或結(jié)塊。根據(jù)粉末堆積密度和流動(dòng)性之間的反比關(guān)系，與高斯粉末相比，多模態(tài)粉末也更容易遇到流動(dòng)性問(wèn)題。

就整體顆粒的大小而言，細(xì)粒度的粉末在激光照射過(guò)程中通常會(huì)暴露出更大的表面積，這有利于完全熔化以生產(chǎn)出致密的部件。然而，與較粗的粉末相比，可能會(huì)增加粉末污染的風(fēng)險(xiǎn)。同時(shí)，粗粒徑會(huì)帶來(lái)較大的空隙，成為生產(chǎn)部件中的裂紋起始點(diǎn)，降低機(jī)械強(qiáng)度。細(xì)顆粒的激光吸收率相對(duì)較高，也會(huì)增加過(guò)冷度，從而提高凝固速度，產(chǎn)生更精細(xì)的微觀結(jié)構(gòu)特征。這也可以解釋在較細(xì)的粉末等級(jí)中觀察到的較低的伸長(zhǎng)率。因此，較陡的熱梯度可以產(chǎn)生更大比例的可轉(zhuǎn)移相，但可能會(huì)導(dǎo)致更高的誘發(fā)殘余應(yīng)力。顆粒度對(duì)表面質(zhì)量的影響也很明顯，較細(xì)的粉末可以產(chǎn)生更光滑的零件表面，因?yàn)樾枰�較小的加工層厚度。為了進(jìn)一步評(píng)估顆粒度對(duì)零件性能的影響，有必要得出適當(dāng)?shù)墓に噮��?shù)，以符合不同顆粒度特性的粉末。

7.1.目前的最佳做法和挑戰(zhàn)

基于對(duì)SLM和DMLS加工中使用的原料的分析，目前為確保良好的加工性能而設(shè)計(jì)的基本粉末要求有以下條件。

（1) 原料的D90應(yīng)小于所使用的加工層厚度（D90 <

（2) 所使用的原料應(yīng)具有均勻的球形度和盡可能高的表觀密度，同時(shí)保持良好的流動(dòng)行為，以促進(jìn)致密化，同時(shí)盡量減少結(jié)塊效應(yīng)；

（3) 金屬原料應(yīng)含有非常低水平的間隙污染物，如氧氣和氫氣，因?yàn)樗鼈儗?duì)破壞的SLM加工有不利影響

目前的工業(yè)SLM應(yīng)用仍然主要利用高斯粉，這可能是由于在原料混合和混合過(guò)程中涉及繁瑣的前提準(zhǔn)備，以產(chǎn)生偏斜或多模態(tài)的原料。此外，沒(méi)有足夠的研究對(duì)受顆粒度變化（高斯、正/負(fù)偏斜、雙峰、三峰等）影響的AM原料的性能進(jìn)行評(píng)估，以明確研究粉末行為（密度、流動(dòng)等）和對(duì)成品部件的影響。粉末堆積密度和流動(dòng)性之間的反比關(guān)系也使整合細(xì)粉的決定進(jìn)一步復(fù)雜化，這要求進(jìn)行廣泛的實(shí)驗(yàn)，以確定適合SLM的粗細(xì)顆粒的適當(dāng)尺寸和組成比例的粉末配方。目前用于表征AM粉末的流量和密度標(biāo)準(zhǔn)也大多來(lái)自于為傳統(tǒng)PM設(shè)計(jì)的現(xiàn)有測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)，這些標(biāo)準(zhǔn)可能無(wú)法直接轉(zhuǎn)用于涉及快速熔化和再固化機(jī)制的激光加工技術(shù)。與傳統(tǒng)燒結(jié)中的熱顆粒擴(kuò)散研究相比，SLM加工的重點(diǎn)應(yīng)放在具有不同顆粒度的粉末的熱歷史上，這可能會(huì)產(chǎn)生各種熔池結(jié)構(gòu)（體積、幾何形狀、形態(tài)、潤(rùn)濕行為、表面張力等），并在考慮馬蘭戈尼對(duì)流和熔體表面的蒸汽壓力的情況下影響形成的層。到目前為止，在粒徑影響下的SLM加工過(guò)程中，熔體的形成仍然沒(méi)有得到很好的理解，也很難定性，但被認(rèn)為涉及各種原料參數(shù)的綜合影響，包括堆積密度、流動(dòng)性、表面積和與其尺寸分布相關(guān)的熱吸收率。

8.展望

與金屬AM原料特性研究有關(guān)的廣泛研究工作，不僅限于粒度測(cè)量，仍然需要加強(qiáng)對(duì)材料-工藝變化的理解，以提高SLM制造的可重復(fù)性和可靠性：

（1）將合適的粉末粒度分布范圍映射到工藝窗口，為不同材料提供最佳的粉末行為和零件質(zhì)量

（2）對(duì)粉末表面積進(jìn)行量化研究，以了解污染（如氧含量）和輻照（如熱吸收率）的影響。

（3）改進(jìn)現(xiàn)有的表征技術(shù)，建立專門針對(duì)金屬AM粉末的標(biāo)準(zhǔn)，以鑒定由形態(tài)、顆粒度、表面化學(xué)、堆積密度、流動(dòng)性和熱性能控制的原料質(zhì)量

（4）設(shè)計(jì)原位計(jì)量方法，以確定加工室中的原料行為（如粉末床掃描和動(dòng)態(tài)圖像）。

（5）進(jìn)一步研究粉末特性的變化對(duì)機(jī)械性能和微觀結(jié)構(gòu)的影響，以及相關(guān)的缺陷（包括孔隙率、變形和表面質(zhì)量）成因，這些因素會(huì)導(dǎo)致部件構(gòu)建失敗。