3D打印用金屬粉末性能評(píng)價(jià)指標(biāo)

金屬3d打印技術(shù)近年來(lái)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)�；瘧�(yīng)用的重要因素之一。目前，國(guó)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(guó)標(biāo)，南極熊在下面來(lái)解讀一下3d打印金屬粉末的一些評(píng)價(jià)指標(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、松裝密度等。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Ni元素的檢測(cè)數(shù)據(jù)為13.02，表示Ni元素在該合金所占的質(zhì)量百分比為13.02%，其它元素質(zhì)量百分比可以此類(lèi)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(lái)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(lái)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(zhuān)業(yè)的檢測(cè)設(shè)備，由專(zhuān)業(yè)的檢測(cè)機(jī)構(gòu)專(zhuān)業(yè)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(guó)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(wú)相應(yīng)的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)或國(guó)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∵^(guò)程中金屬重熔后，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，且粉末的形態(tài)存在衛(wèi)星球、空心粉等問(wèn)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(xué)性能。因此，對(duì)不同體系的金屬粉末，氧含量均為一項(xiàng)重要指標(biāo)，以鈦合金為例，業(yè)內(nèi)對(duì)該指標(biāo)的一般要求在1300~1500ppm，亦即氧元素在金屬中所占的質(zhì)量百分比在0.13~0.15%之間。由于目前用于金屬3D打印的粉末制備技術(shù)主要以霧化法為主（包括超音速真空氣體霧化和旋轉(zhuǎn)電極霧化等技術(shù)），粉末存在大的比表面積，容易產(chǎn)生氧化。因此粉末制備過(guò)程中要對(duì)氣氛進(jìn)行嚴(yán)格控制。在航空航天等特殊應(yīng)用領(lǐng)域，客戶(hù)對(duì)此指標(biāo)的要求更為嚴(yán)格。部分客戶(hù)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)，一般情況下制備的粉末粒度分布呈正態(tài)分布。

激光粒度儀分析結(jié)果

以 上圖為例，金屬粉末顆粒粒度分布結(jié)果中，d(10)=20.38μm，代表尺寸小于20.38μm的粉末體積所占比例不低于10%。同理可知，d(50)= 30.44μm，d(90)= 42.09μm，說(shuō)明在該粉末中，尺寸小于42.09μm的粉末比例不低于50%，小于42.09μm的粉末比例不低于90%。

GBT 1480-2012 《金屬粉末 干篩分法測(cè)定粒度》適用于大于45微米的粉末顆粒，已不太能滿(mǎn)足金屬粉末粒度測(cè)試要求，目前粒度分析大多通過(guò)激光粒度分析儀（適用于0.1微米到2毫米的粒度分布）分析，市面上有馬爾文激光粒度儀，百特激光粒度儀，崛場(chǎng)激光粒度儀等，測(cè)試前需用類(lèi)似粒度的標(biāo)樣驗(yàn)證適用性。目前金屬3D打印常用的粉末的粒度范圍是15~53μm（細(xì)粉），53~105μm（粗粉），部分場(chǎng)合下可放寬至105~150μm（粗粉），分別對(duì)應(yīng)的顆粒目數(shù)范圍為：270~800目（細(xì)粉），140~270目（粗粉），100~270目（粗粉）。此粒度范圍是根據(jù)不同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，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為主，部分場(chǎng)合下105~150μm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(guò)掃描電子顯微鏡（SEM）定性分析，也有人定義為在一定區(qū)域內(nèi)球形粉末面積占總面積的比率。上圖為不同金屬粉末的SEM形態(tài)照片，可以看出，左圖粉末顆粒的球形度要優(yōu)于右圖粉末。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)行控制，更易獲得更高打印質(zhì)量的零部件。一般來(lái)說(shuō)，等離子旋轉(zhuǎn)電極霧化技術(shù)制備的粉末球形度比真空氣霧化技術(shù)制備的粉末要好，但在制備合金粉末綜合性能方面各有優(yōu)勢(shì)。

霍爾流速計(jì)裝置

流動(dòng)性是指以一定量金屬粉末顆粒流過(guò)規(guī)定孔徑的量具所需要的時(shí)間，測(cè)試方法參考GB/T 1482-2010或ISO 4490:2001《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)）》，通常采用的單位為s/50g，可以通過(guò)霍爾流速計(jì)測(cè)量，數(shù)值愈小說(shuō)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(guò)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(guò)程中堆垛密實(shí)程度，其對(duì)于金屬打印最終產(chǎn)品的密度影響尚無(wú)確論。

據(jù)國(guó)內(nèi)3d打印第一媒體南極熊了解，目前，國(guó)內(nèi)金屬3D打印材料大部分依賴(lài)進(jìn)口，價(jià)格昂貴，這也促使國(guó)內(nèi)致力于3D打印金屬材料的企業(yè)和機(jī)構(gòu)自主研發(fā)金屬3D打印材料。但是，因?yàn)榻饘?D打印材料本身的材料屬性，其都有特定的應(yīng)用領(lǐng)域范圍，因此，金屬3D打印材料選擇的過(guò)程是一個(gè)權(quán)衡多個(gè)因素的過(guò)程。而且，3D打印金屬不能僅僅憑借金屬3D打印機(jī)的參數(shù)來(lái)衡定，每種金屬材料都有適合自身特性的極限點(diǎn)，包括應(yīng)用、功能、穩(wěn)定性、耐久性、美觀(guān)性、經(jīng)濟(jì)性都是設(shè)計(jì)師要考慮的因素。



來(lái)源：solid
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