隨著金屬3D打印技術在近年的快（kuài）速發展，其在航天航空、汽車、軍工、醫療植入物等方麵的（de）應用越來越廣泛，金屬3D打印粉末也迎來了全（quán）麵的爆發。許多企業和（hé）機構（gòu）就（jiù）紛紛開設了專門的實驗室或工廠，重金投入金屬粉末的研發和（hé）生產。　那麽（me）金屬粉末的性能該如何評價呢，業內對（duì）於（yú）金屬粉末的評價指標主要有化學成分、粒度分布及粒度（dù）分布、粉末形貌（mào）、粉末鬆裝密（mì）度和振實密度、粉末流動（dòng）性等。下麵小編將帶您一起學（xué）習3D打印（yìn）金屬粉末性能指標及測（cè）試方法（fǎ）。

 

化（huà）學成分

EOS Ti64化學成分

 

 

對於金屬（shǔ）3D打印（yìn）而言，因為打印過程中金屬重熔後，元素以液體形態存在，或者可能存（cún）在易揮發元素的揮發損（sǔn）失，且粉末的形（xíng）態存（cún）在衛星球、空心粉等問題，因此有可能在局部生成氣孔缺陷，或者造成打印後的零部（bù）件（jiàn）的成分異於原始粉（fěn）末或者母合金的（de）成分，從而影響到工件的致密性（xìng）及其力學性能。因此（cǐ），對不同體係的金屬（shǔ）粉末，氧含量均為一項重要指標。

 

以鈦（tài）合金為例，業內對該指標的一般要求在1300~1500ppm，亦即氧元素在金屬中所（suǒ）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）的粉末製備技術主要以霧化（huà）法為主（包括超音速真空氣體（tǐ）霧化（huà）和（hé）旋轉（zhuǎn）電（diàn）極霧化等技術），粉末存在大（dà）的比表麵積，容易（yì）產（chǎn）生氧化，因此粉末製備過程中要對氣氛進行嚴（yán）格控製。在航空航（háng）天等特殊應用領域，客戶對此指標的（de）要求更為嚴格。部（bù）分客戶也要求控製氮含量指標，一般要求在500ppm以下，也即氮元素在金屬中（zhōng）所占的質量百（bǎi）分比（bǐ）在0.05%以下（xià）。

 

以物質的化學反應（yīng）及（jí）其計量關係為基礎的分析方法稱為化學分析法。化（huà）學分析法是分析化學（xué）的基礎，又稱經典分析法（fǎ），主要（yào）有重量分析法和滴定分析法等。以物理性質或物理化學性質為基礎的分析方法稱為（wéi）物（wù）理分析法或物理化學分析法，需要較特殊的儀器，通常稱為（wéi）儀器（qì）分析法。最主要的儀器分析方法有光學分析法、電化學分析法、熱（rè）分析法、色譜法（fǎ）等。儀器分析法準確度、靈敏度較高，適用於微量（liàng）、痕量（liàng）組分的測定，分析速度快，易於實施實時、在線監測（cè）。

 

常見的儀器（qì）包括：

電感藕合等離子體原子發（fā）射光譜儀

火花直讀光譜儀

原子吸收光譜

紅外碳（tàn）/硫分析儀（yí）

電位電解儀（yí）

 

粉末粒度及粒度分布

 

目前金屬3D打印常用的粉末的粒度範圍是（shì）15~53μm（細粉），53~105μm（粗粉），部（bù）分場合下可放寬至105~150μm（粗粉），分別對（duì）應的顆粒目數範圍為：270~800目（mù）（細粉），140~270目（粗粉），100~270目（mù）（粗粉）。此粒度範圍是根據不同能量源的金屬打印機劃分的，以激光（guāng）作為能量源的打印機，因其聚焦光斑精細（xì），較易熔化細粉，適（shì）合使用15~53μm的粉末作為耗材，粉末補給（gěi）方式為逐層鋪粉；以等離子束作為（wéi）能量源（yuán）的打印機，聚焦光（guāng）斑略粗，更適於熔化粗粉，適合使用53~105μm為主，部分（fèn）場合下105~150μm的粉末（mò）作為耗材，粉末補給方式為同軸送粉。

粒度分布測試常用（yòng）方法

 

 

金屬粉末的粒度分布主要通過激（jī）光粒度分析儀分析（適用於0.1μm~ 2mm的粒度分（fèn）布），市麵上有馬（mǎ）爾文激光粒度儀，百特激光粒（lì）度儀，崛場激（jī）光粒度儀等，測試前需（xū）用類（lèi）似粒度的標（biāo）樣驗（yàn）證適用性。下圖為馬爾文Mastersizer 3000粒度分（fèn）析儀（yí）及測試結果，其中：D10表示小於該值的顆粒占比例不低於10%，D50表示小於該值的顆粒占比例不低於50%，D90就是小於（yú）D90這個值的顆粒占顆粒占比例不低於90%。

 

 

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

粉末形貌

粉末（mò）形狀與製備方法的（de）關（guān）係

 

 

在粉末的物理性能中，除了粉末粒（lì）度和粒度分布外，粉末（mò）顆粒的形狀也十分重要，粉末顆粒形狀直接影響其工藝性能參數。粉（fěn）末形狀和生產粉末的（de）方法（fǎ）密切相關，一（yī）般由金屬氣態或熔融（róng）液態轉變成粉末時，粉末顆粒（lì）形狀趨於球形，由固態裝（zhuāng）變為粉（fěn）末時，粉末顆粒趨於不規則形狀，而由水溶液電解法製備的粉末多數呈（chéng）樹枝狀。上表為不同製備方法對應的金屬（shǔ）粉末形狀。一般而言，球形度佳，粉末顆粒的流動性也比較好（hǎo），在金屬3D打印（yìn）時（shí）鋪粉及送粉更容易進行，因此，霧化法、旋轉電極法（fǎ）為成為3D打印金屬粉末主流的（de）製備方法。粉末形貌觀測通常借助用掃描電子顯微鏡。

 

粉末鬆裝密度和振實密度（dù）

 

鬆裝密度：是粉（fěn）末試樣自然地（dì）充滿規定容器時，單位容積的粉（fěn）末質量。自然填充狀態下的體積就是顆粒體積+顆粒上的開孔和閉孔體積+顆粒間空隙體積。一般情況，粉末粒度（dù）越粗鬆（sōng）裝密度越大。粗細搭配的粉末能夠獲得（dé）更高（gāo）的鬆（sōng）裝密度。鬆（sōng）裝密度通（tōng）常用漏鬥法、斯科特容量計法來（lái）測定。

 

振實（shí）密度：將粉末裝入振動容器中，在規（guī）定的條（tiáo）件下經過振實後測得（dé）的粉末（mò）密度，粉體材料振實後的（de）體積是指顆粒體積+顆粒上的開孔和閉孔體積+顆粒間振實後空隙體積。一般振實密（mì）度比鬆裝（zhuāng）密度高20%~30%。

 

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

影響因素：

粉末顆粒越大、顆粒形狀越規則、粒度組成中極（jí）細的粉末所占的比例（lì）小，流動性相對比較（jiào）好。

顆粒密（mì）度不變（biàn），相對（duì）密度增加，粉末流（liú）動性（xìng）增加。

顆粒表麵吸附水、氣體等會降低粉（fěn）末流動性。

 

流（liú）動性是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（jun1）勻性和送（sòng）粉過程的穩定性。與流動性相關的（de）三個測試點：休止角（jiǎo）、流出速度和壓縮度，休止角是粉體堆積層的自由斜麵與（yǔ）水平麵所形成的（de）最大角，是粒（lì）子在粉體堆（duī）積層的自由斜麵上滑動時所受重力和粒子間摩擦力達到平衡而處於靜止狀（zhuàng）態下測得。流（liú）出速度是將物料加入於漏鬥中用測定的全部物料（liào）流出所需的時間來描述。壓縮度反映了粉體的凝聚性、鬆軟狀態，是粉體流（liú）動性的重要指標。測（cè）定粉末流動性（xìng）使用兩種流量計：霍爾流量計（jì）漏鬥和卡（kǎ）尼漏鬥。

 

 

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