隨（suí）著金（jīn）屬（shǔ）3D打印技術在近年的快速發展，其在航天航空、汽車、軍工、醫療植入物等方麵的應用越來越廣泛，金屬3D打印粉末也迎來了全麵的爆發。許多企業和機構就紛紛開設了專門的實驗室或工廠，重金投入金屬粉末（mò）的研發和生產。　那麽金屬粉末的性能該如何評價呢，業內對於金屬粉末的評價指標主要有化（huà）學成分、粒度分布及粒度分布、粉末形貌、粉末鬆裝密度和振實密度（dù）、粉末流（liú）動性等。下（xià）麵小編將帶您一起學習3D打印金屬粉末性能指標（biāo）及（jí）測試方法。

 

化學成分

EOS Ti64化（huà）學成（chéng）分

 

 

對於（yú）金（jīn）屬3D打印而言，因為打印過程中（zhōng）金屬（shǔ）重（chóng）熔後，元素以液體（tǐ）形態存在，或者可能存在易（yì）揮發（fā）元素的揮發（fā）損失，且（qiě）粉末的形態存在衛星球、空心粉等問題，因（yīn）此有可能在局部生成氣孔缺（quē）陷，或者造成打印後的零部（bù）件的成分異於原始粉末或（huò）者母合金的成分，從而影響到（dào）工件的致（zhì）密性（xìng）及其力學性能。因此（cǐ），對不（bú）同體係的金屬粉末，氧含量均為一項重要指標（biāo）。

 

以（yǐ）鈦合金為例，業內對該指標的（de）一般要求在1300~1500ppm，亦即氧元素（sù）在金屬中（zhōng）所占的質量百分比在0.13~0.15%之間。由於目前用於金屬3D打印（yìn）的粉末製備（bèi）技術主要以霧化法為主（包括超音速真空氣（qì）體霧化和旋（xuán）轉（zhuǎn）電極霧化等技術），粉末存在大的比表麵積，容易產生氧化，因此粉末製備過程中要對氣（qì）氛進行嚴格（gé）控製。在航空航天等特（tè）殊應用領域，客戶對此指標的要求更為嚴格（gé）。部分客戶也要求控製氮含量（liàng）指標，一般要求在500ppm以下，也（yě）即氮元素在金屬中所占的質量（liàng）百分比在0.05%以下。

 

以（yǐ）物（wù）質的化學反應及其計量關（guān）係為基礎（chǔ）的分析方法稱為化學分析法。化學分析法是分析化學的基礎，又稱經典分析法，主要有重量分析法和滴定分析法等。以物（wù）理性質或物理化學（xué）性質為基礎的分析（xī）方法稱為物理分析法或物理化學分析法，需要較特殊的儀器，通常（cháng）稱為儀器分（fèn）析法。最主要的儀（yí）器分析方法有光學（xué）分析法（fǎ）、電化（huà）學分析法、熱分析（xī）法、色譜法等。儀器分析法（fǎ）準確度、靈（líng）敏度較（jiào）高，適用於微量、痕量組分的測定，分（fèn）析速度快，易於實施實時（shí）、在線監（jiān）測。

 

常見的儀器包括：

電感藕合等離子體原子發射光譜儀

火花直讀光譜儀

原子（zǐ）吸收光譜

紅外碳/硫分析儀

電位電解儀

 

粉末粒度（dù）及（jí）粒度分布

 

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（chǎng）合下（xià）可放寬至105~150μm（粗粉），分別對應的顆粒目數（shù）範圍為：270~800目（細粉（fěn）），140~270目（粗粉），100~270目（粗粉）。此粒度範圍是根據不同能量源的金（jīn）屬（shǔ）打印（yìn）機劃分的，以激光作為能量源的打印機，因其聚焦光斑精（jīng）細，較易熔化細粉（fěn），適合使用（yòng）15~53μm的（de）粉末作為耗材，粉末補給方（fāng）式為逐層鋪粉（fěn）；以等離子束作為能量源的打印機，聚焦光斑略（luè）粗，更（gèng）適於熔化粗粉，適合使用53~105μm為主，部分場合（hé）下105~150μm的粉末作（zuò）為耗材，粉末補給（gěi）方式為同軸送粉。

粒度分布測（cè）試常用方法

 

 

金屬（shǔ）粉末的粒度分布主要通過激光粒度分析儀（yí）分析（適用於0.1μm~ 2mm的粒度（dù）分布），市麵上有馬爾文激光粒（lì）度儀，百特激光（guāng）粒度儀，崛場激光粒度儀（yí）等（děng），測試前需用類似粒度的標樣驗證適用性。下圖為馬爾文Mastersizer 3000粒度（dù）分析儀及測試結果，其中：D10表示（shì）小於（yú）該值的（de）顆粒占比例不低於（yú）10%，D50表示小於該值的顆粒（lì）占比例不（bú）低於50%，D90就是（shì）小於D90這個值的顆粒占顆粒占比例不低於90%。

 

 

粒度分布測（cè）試結果（D10=36.6μm，D50=59.5μm，D90=93.9μm） 

粉末形貌

粉末形狀與（yǔ）製備方法的關係

 

 

在粉末的物理性（xìng）能中，除了粉末粒度和粒度（dù）分布外，粉末顆粒的形（xíng）狀也十分重要，粉末顆粒形狀直接影響其工藝性能參數。粉末形狀和生產粉末（mò）的方法密切相關，一般由金屬氣態或熔融液態轉變成（chéng）粉末時，粉末顆粒形狀趨於球形，由（yóu）固態裝變為粉末（mò）時（shí），粉末顆（kē）粒趨於不規（guī）則（zé）形（xíng）狀，而由水溶液電解法製備的粉末多數呈樹枝狀。上（shàng）表為不同製備方法對應的金屬粉末形狀。一般而言，球形度佳，粉末（mò）顆粒的（de）流動性也比（bǐ）較好，在金屬3D打印時鋪粉及送粉更容易進行，因此，霧化法、旋轉電（diàn）極法為成為3D打印金屬粉末主流的製備方法。粉末（mò）形貌觀測通常借助用掃描電子顯微鏡（jìng）。

 

粉末鬆裝（zhuāng）密度和振實密度

 

鬆裝密度：是粉末試樣自然地充滿規（guī）定容器時，單位容積的粉末質量。自然填充（chōng）狀（zhuàng）態下（xià）的體積就是顆（kē）粒體積+顆粒上的（de）開孔和閉孔體積+顆粒間空隙體積。一般情況，粉末粒度越粗鬆裝密度越大。粗細（xì）搭配（pèi）的粉末（mò）能夠獲得更高的鬆裝密度。鬆裝密度通常用漏鬥法、斯科特容量計法來測定。

 

振實密度：將粉末裝入振動容器中，在規定的條件下經過振實後測得的粉末（mò）密度（dù），粉體材料振實後的體積是指顆粒體積+顆粒上（shàng）的開（kāi）孔（kǒng）和閉孔體積+顆粒間振實後空隙體積。一般振實密度比鬆裝密度高20%~30%。

 

粉末流動性是指以一定量（liàng）金屬（shǔ）粉末顆粒（lì）流過規定孔徑的量具所需要的時間，通常采用50g粉末，單位為s/50g，可以（yǐ）通過霍爾流速計測量，數值愈小說明該粉（fěn）末的流動性愈好。流動性是一個與形貌、粒（lì）度分布及鬆裝密度相關的（de）綜合性參數。

影響因素：

粉末顆粒越大（dà）、顆粒形狀越規（guī）則（zé）、粒度組成中極細的粉末所占的比例小，流（liú）動性相（xiàng）對比較（jiào）好。

顆粒密度不變，相對密度增加（jiā），粉末流動性增加。

顆粒表麵吸附水、氣體等會（huì）降低粉末流（liú）動性（xìng）。

 

流動（dòng）性是3D打印技（jì）術中關鍵性能指標之一，直接影響打（dǎ）印過程中鋪粉的均勻（yún）性和送粉過程的穩定性。與流動性相關的三個測試點：休止角、流出速度和壓縮度，休止角是粉體堆（duī）積層的自由斜麵與水平麵所形成的最大角，是粒子在（zài）粉體堆積層的（de）自由斜麵上（shàng）滑動時所（suǒ）受重力和粒子間摩擦力達到平衡而處（chù）於（yú）靜止狀態下測得。流出速度是將物（wù）料加入（rù）於漏鬥中用測（cè）定的全部物料流出（chū）所需的時間來描（miáo）述。壓縮度反映了粉體的凝聚性、鬆軟狀態，是粉體流動性的重要（yào）指標。測定粉末流動性使用兩種（zhǒng）流量計：霍爾流量計漏鬥和卡尼漏鬥。

 

 

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