3D打印作為一種新興的新一代先進製造技（jì）術，近年來發展迅速。然而，對於工業級金屬3D打印領（lǐng）域（yù），粉末耗材仍是製約（yuē）該技術規模化（huà）應用的（de）重要因素之一。目前，國內尚未製訂出金屬3D打印用材料標準、工藝規範、零件性能標準等行業標準或國標。業內對於金屬粉末的評（píng）價（jià）指標主要有化學（xué）成（chéng）分、粒度分布、粉末（mò）的球形度、流動性（xìng）、鬆裝密度等。其中，化學成分（fèn）、粒度分布是金屬3D打印領（lǐng）域（yù）用於評價金屬粉末質量的常用指標，球形度、流動性（xìng）、鬆裝密（mì）度可作為（wéi）評價質量的參考指（zhǐ）標。

 

1、化學成分：金屬粉末中各元素實際（jì）所占的質量百分比（wt.%）。

 

 

以上表為（wéi）例，在該（gāi）合金中Al元素的檢測數據為6.25，表示Al元素在該合金所占的質量（liàng）百分比為6.25%，其它元素質量百（bǎi）分比可以此類推。目前，金屬化學成分檢測應用最廣的方法是化學分析法和光譜分析法。化學分析法是利用化學反應（yīng）來（lái）確定金屬的組成成分，可以實（shí）現（xiàn）金屬（shǔ）化（huà）學成分的（de）定性分析和定（dìng）量（liàng）分析。光譜分析法是利用金屬中各種元素在高溫、高（gāo）能量的激發下產生的自己特有的特征光譜來確定（dìng）金（jīn）屬的化學成分及大致含量，一般用於金屬化學成分的定性分析。以上兩種方法都要使用專業的檢測設備，由專業的（de）檢測機構的人員完成。

 

大部分鑄態、鍛造的金屬的化學（xué）成分都有相應的行業標準或國標，以評價該金（jīn）屬的化學成分指標是否合格。然而，用於金屬3D打印的粉末技術新穎，業內尚（shàng）無相應的行業標準（zhǔn）或國標（biāo），業內通常認可的評價方法是沿用該金屬（shǔ）粉末對應的鑄態標準，或在該標（biāo）準的基礎上（shàng）雙方協商放寬（kuān）指標要求（qiú）。

 

對於金屬（shǔ）3D打印而言，因為打印過程中金屬重熔後，元素以液（yè）體形態存在（zài），或者可能存在易揮（huī）發元素的揮發損失，且粉（fěn）末的形態存在衛星球、空心（xīn）粉（fěn）等問題，因此有可能在（zài）局部生成氣孔缺陷（xiàn），或者造成打印後的零部件的（de）成分異於原始粉末或者母合金的（de）成分，從而影響到工件的致（zhì）密性及（jí）其（qí）力學性能。因此，對不同體係的金屬粉末，氧含量均為一（yī）項重要指標，業內對該指標的一般要求在1300~1500ppm，亦即氧元素在金屬中所占（zhàn）的質（zhì）量百分比在0.13~0.15%之間。由於目前用（yòng）於金屬3D打印的粉末製備技術主要以霧化法（fǎ）為主（包括高壓氣體霧化（huà）和旋轉電極霧化等（děng）技（jì）術），粉末存（cún）在（zài）大的比表麵積，容（róng）易產生氧（yǎng）化。因此粉（fěn）末製備過程中要對氣氛進行嚴格（gé）控製。在航空航天等特（tè）殊應用領域，客戶（hù）對此指標的要（yào）求更（gèng）為嚴格（gé）。部分客戶也要求控製氮含量指標，一（yī）般（bān）要求在500ppm以下，也即氮元素在金屬中所占的質量百分比在0.05%以下。

 

2、粒度分布：不（bú）同尺寸的金屬粉末顆粒的（de）在一定尺寸區間內（nèi）所占的體積百分比的統計數據，一（yī）般情況下製備的粉末粒度分布呈（chéng）正態分布。

 

 

以上圖為例，金屬粉末顆粒粒度分布結果中，d(10)=17.290μm，代表尺寸小（xiǎo）於17.290μm的粉末體積所占（zhàn）比例（lì）不（bú）低於10%。同理可（kě）知（zhī），d(50)= 33.478μm，d(90)= 57.663μm，說明在該粉（fěn）末中（zhōng），尺寸小於33.478μm的粉末比例（lì）不低於50%，小（xiǎo）於57.663μm的粉末比例不低於90%。

 

金屬粉末的粒度分布可以通過（guò）激光粒度分析儀（yí）分析。目前金屬3D打印常用的粉末的粒度範圍是15~53μm（細粉），53~105μm（粗粉），部分場合下（xià）可放寬至105~150μm（粗粉），分別對應的顆粒目數範圍為：270~800目（細粉），140~270目（粗粉），100~270目（粗粉（fěn））。此粒度範圍（wéi）是根據不（bú）同能量源的金屬打印機劃分的（de），以激光（guāng）作為能量源的打印機，因其聚焦光斑精細，較易熔化細（xì）粉，適合使用15~53μm的粉（fěn）末作為耗材，粉末補給方式為（wéi）逐層鋪粉（fěn）；以等離（lí）子束作為能量源的打印機（jī），聚焦光斑略粗（cū），更（gèng）適於熔化粗粉，適合使用53~105μm為主，部分場合下105~150μm的粉末作為耗材，粉末補給方式為同軸（zhóu）送粉。

 

3、球形度（dù）、鬆裝密度、流動性等參考指標。

 

 

球形度也就是金屬粉末顆粒接近（jìn）球體的（de）程度，一般（bān）通過掃（sǎo）描電子顯微鏡（SEM）定性分析。上圖為不同金（jīn）屬粉末的SEM形態照片，可以看出，左圖粉末顆粒的球形度要優於右圖粉末。一般而言，球形度佳，粉末顆粒的流（liú）動性也比（bǐ）較好，在金屬3D打印時鋪粉及送（sòng）粉更容易進行控製，更易獲得更（gèng）高打印質量的零部件。

 

流動性是指以一定量金屬（shǔ）粉末顆粒流過規定孔徑的量具（jù）所需要的時間，通常采用的單位為s/50g，可以通過霍爾流速計測量，數值愈小說明該粉末（mò）的流（liú）動性愈好。流動性也可（kě）以用休止角表征，休止角指在重力場中，顆粒在金屬粉（fěn）末堆（duī）積層的自由斜麵上滑動時所受重力和粒子之間摩擦力（lì）達到平（píng）衡而處於靜止狀態下測得的最大角。這是一種檢驗金屬粉末流動性的簡易方法，休止角越小，摩擦力（lì）越（yuè）小，流（liú）動性越好，越有利於鋪粉及（jí）送粉的進行。

 

鬆裝密度是直（zhí）接（jiē）鋪粉得到的金屬粉末在一定（dìng）體積（jī）內的質量，可以通過漏鬥法測量。鬆裝密度僅作為參考指標，表征（zhēng）粉末在補給過程中堆垛密實程度，其對於金屬打印最終產品的密度影響尚無確論。

 

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