國內(nèi)外增材制造SLM用TC4金屬粉末工藝性能研究

俞俊鐘

摘 要：金屬粉末是決定增材制造成型件質(zhì)量的關(guān)鍵因素之一。本文對TC4金屬粉末的不同參數(shù)對成型件的影響作了分析，并對國內(nèi)外增材制造用TC4金屬粉末的各項性能進(jìn)行了綜合對比分析，以期為我國增材制造行業(yè)提供數(shù)據(jù)參考。

關(guān)鍵詞：增材制造 TC4金屬粉末 性能研究

中圖分類號：TG665 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2018）09（c）-0089-02

增材制造是推動制造業(yè)升級的重要技術(shù)之一，TC4作為研究最廣泛的鈦合金，是目前眾多增材制造方法中的研究熱點(diǎn)[1]。在“《中國制造2025》重點(diǎn)領(lǐng)域技術(shù)路線圖”中，增材制造用材料被明確提出作為重點(diǎn)發(fā)展的方向，其具體的技術(shù)發(fā)展戰(zhàn)略方向是：低成本鈦合金粉末滿足航空航天3D打印復(fù)雜零部件用粉要求，低成本鈦合金粉末成本相比現(xiàn)有同等鈦合金粉末降低50～60%。在工信部等部委聯(lián)合發(fā)布的“增材制造產(chǎn)業(yè)發(fā)展行動計劃（2017-2020年）”中，提出了提升金屬增材制造材料質(zhì)量的重點(diǎn)任務(wù)：研究金屬球形粉末成形與制備技術(shù)，開發(fā)空心粉率低、顆粒形狀規(guī)則、粒度均勻、雜質(zhì)元素含量低的高品質(zhì)鈦合金金屬粉末。

1 SLM用TC4金屬粉末的不同參數(shù)對成型件質(zhì)量的影響

TC4金屬粉末作為SLM成形工藝的主要原材料，其工藝性能對SLM成型件質(zhì)量具有顯著的影響。在實(shí)際生產(chǎn)過程中，許多操作過程均涉及到粉末的存儲、運(yùn)輸、供給、混合以及填充等步驟，在這些操作步驟中，粉末材料的工藝性能必須達(dá)到一定的標(biāo)準(zhǔn)。目前，增材制造領(lǐng)域提出將粉末的流動性作為檢測粉末材料工藝性能的一項重要指標(biāo)，而粉末材料流動性受到諸多其他指標(biāo)的影響，如松裝密度、流動性、球形度、粒徑分布、空心粉、夾雜、微量元素[2-3]。因此，對SLM工藝用TC4金屬粉末材料工藝性能的研究需要從多個指標(biāo)進(jìn)行。

1.1 松裝密度

松裝密度反應(yīng)了鋪粉時的緊密堆積程度，關(guān)系到成形件的致密度。

1.2 流動性

TC4粉末的流動性波動范圍大、流動性差的粉末容易出現(xiàn)鋪粉不均一，導(dǎo)致成形件內(nèi)部和表面產(chǎn)生缺陷。

1.3 顆粒粒形

限于目前金屬粉末霧化工藝，金屬液流被霧化噴嘴產(chǎn)生的高速脈沖氣流擊碎并凝固形成微細(xì)粉末顆粒時，粉末顆粒并不完全是球形，存在棍狀、橄欖核狀、衛(wèi)星粉等形貌。

1.4 粒徑分布

不同粒徑的粉末完全熔化需要的激光能量不同，因此粒徑分布越窄越好，保證粉末對激光的能量的均勻吸收。此外，較細(xì)的粉末顆粒在使用過程中可能會分散于空氣中，因此操作設(shè)備時需要通過凈化裝置控制空氣中粉末的濃度，避免被人體吸入，難以排出，影響呼吸功能和身體健康。

1.5 空心粉和異質(zhì)夾雜

空心粉和夾雜對材料品質(zhì)是一大挑戰(zhàn)，空心粉的存在會導(dǎo)致成型零件中殘留氣孔，甚至經(jīng)熱等靜壓后此類孔洞也難以消除，對零件力學(xué)性能特別是疲勞性能帶來嚴(yán)重影響；空心粉導(dǎo)致的空氣夾帶，則會直接影響材料成分和打印的穩(wěn)定性。夾雜會導(dǎo)致材料機(jī)械性能降低等問題。限于目前的生產(chǎn)工藝，生產(chǎn)過程中工序較多，各環(huán)節(jié)操作不規(guī)范極易引入雜質(zhì)。

1.6 微量元素

“氧氮?dú)洹边@幾類微量元素對打印過程存在不良影響，其含量需要嚴(yán)格控制。在制粉工藝過程中，尤其要注意“氧、氮”微量元素的控制。

2 國內(nèi)外SLM用TC4金屬粉末性能對比及建議

2018年，無錫市產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)院（國家增材制造產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心）根據(jù)近年來增材制造SLM用TC4金屬粉末的抽查和委托性檢驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了對比分析，研究了國內(nèi)金屬粉末質(zhì)量與國外同類產(chǎn)品的差異和存在的問題。

2.1 松裝密度低于國外同類產(chǎn)品，影響打印成形件的致密度

國內(nèi)外粉末的松裝密度值都比較均一，國外粉末稍好，鈦合金TC4的分別為：2.33g/cm3、2.55g/cm3，差異不大；國內(nèi)外TC4粉末松裝密度數(shù)據(jù)的方差為0.18、0.21，二者相比無明顯差異。金屬粉末通過篩選的方式，按不同的粒徑進(jìn)行分級匹配，混合出符合打印要求的粉末材料。松裝密度與不同粒徑粉末級配有直接關(guān)系，在保證樣品粒徑分布符合打印要求的前提下，盡可能提高粉末的松裝密度。

2.2 流動性一致性差，難以保證鋪粉的均勻性

國產(chǎn)TC4粉末的流動性為35.1（s/50g），方差為5.3；國外TC4粉末的流動性為26.8（s/50g），方差為0.7?？梢钥闯?，國內(nèi)TC4粉末的流動性略低于國外TC4粉末，但國產(chǎn)TC4粉末的波動性較大，流動性一致性低于國外。流動性差的粉末容易出現(xiàn)鋪粉不均一，導(dǎo)致成形件內(nèi)部和表面產(chǎn)生缺陷。氣霧化法制備的金屬粉末顆粒會存在不規(guī)則形狀，如衛(wèi)星球、長條形等，通過合理的篩選方式，盡可能保證粉末材料中的粉末顆粒形貌都是球形，提高粉末流動性。

2.3 顆粒粒形不規(guī)則，影響粉末流動性

國產(chǎn)TC4粉末的球形度為0.89，國外TC4粉末的球形度為0.91，二者差別不大，國內(nèi)外TC4粉末的球形度測試數(shù)據(jù)的方差分別為為0.05、0.03，相差不大。對于SLM工藝，在鋪粉過程中，粒形較差的粉末之間可能相互搭接，極易形成局部團(tuán)聚，流動性不暢，直接導(dǎo)致打印粉層不均勻，影響成形件致密度，導(dǎo)致成形件報廢。

2.4 粒徑分布范圍不一致、波動性大，不符合工藝對應(yīng)要求

國內(nèi)生產(chǎn)TC4的粒徑分布基本上與國外粉末差別不大，國內(nèi)外TC4粉末粒徑分別在25-60μm之間、23-55μm之間。但是國產(chǎn)TC4粉末粒徑數(shù)值波動較大，一致性沒有國外TC4粉末粒徑分布好。粒徑分布與松裝密度存在一定的沖突，粒徑一致則堆積時孔隙較多，需要更小粒徑的粉末來填充空隙增加松裝密度，但會導(dǎo)致粉末材料的粒徑分布較寬，不利于激光熔化成形，因此廠家需要通過多次實(shí)驗(yàn)，合理分配粒徑分布與松裝密度的關(guān)系，使成型效果最佳。

2.5 普遍存在空心粉和異質(zhì)夾雜情況，影響成形件質(zhì)量

國內(nèi)外TC4粉末的空心球率相差無幾，且波動不大：國產(chǎn)TC4粉末的空心球率為0.25，國產(chǎn)TC4粉末的空心球率為0.26；方差均為0.2。但是國產(chǎn)TC4粉末中的夾雜率明顯高于國外粉末。生產(chǎn)廠家應(yīng)從源頭上采取相應(yīng)措施，降低粉末的夾雜率。

2.6 微量元素含量超標(biāo)，影響成形件性能

對氧指標(biāo)的一般要求在1500ppm以下，氮含量指標(biāo)一般要求在500ppm以下。國內(nèi)外增材制造用TC4金屬粉末的微量元素均不存在超標(biāo)的問題，但是國產(chǎn)粉末中的微量元素含量波動較大，一致性低于國外粉末。

3 結(jié)語

增材制造作為制造業(yè)有代表性的顛覆性技術(shù)，對傳統(tǒng)的工藝流程、生產(chǎn)線、工廠模式、產(chǎn)業(yè)鏈組合發(fā)生了深刻的影響，已經(jīng)成為新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革的重要驅(qū)動力之一，具有廣闊的市場前景和發(fā)展空間，尤其是金屬增材制造方面，世界各主要國家紛紛將其作為未來產(chǎn)業(yè)發(fā)展新的增長點(diǎn)。金屬粉末作為增材制造的源頭，其質(zhì)量決定了最終成型件的性能。通過開展增材制造用金屬粉末的質(zhì)量評估，對比國產(chǎn)TC4粉末與國外TC4粉末的質(zhì)量，認(rèn)清其中的差距與不足，有助于國內(nèi)生產(chǎn)廠家提升自身生產(chǎn)質(zhì)量，同時促進(jìn)我國增材制造行業(yè)的健康發(fā)展。

參考文獻(xiàn)

[1] 楊海歐，王健，王沖，等.電弧增材制造TC4鈦合金宏觀晶粒演化規(guī)律[J].材料導(dǎo)報，2018，32（12）：2028-2031，2046.

[2] 李禮，戴煜.淺析激光選區(qū)熔化增材制造專用粉末特性[J].新材料產(chǎn)業(yè)，2018（1）：56-60.

[3] 樂國敏，李強(qiáng)，董鮮峰，等.適用于金屬增材制造的球形粉體制備技術(shù)[J].稀有金屬材料與工程，2017（4）：1162-1168.