淺析激光選區(qū)熔化增材制造專(zhuān)用粉末特性

李禮 戴煜

隨著激光選區(qū)熔化增材制造技術(shù)（SLM）的發(fā)展，業(yè)界才將3D打印技術(shù)從真正意義上推至“所想所見(jiàn)即所得”的新高度。但是，SLM技術(shù)對(duì)金屬粉末的性能要求很高，因粉末性能不合格導(dǎo)致構(gòu)件打印失敗的例子屢見(jiàn)不鮮。粉體材料，實(shí)際上已經(jīng)成為左右SLM技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)瓶頸。本文概述了粉末粒度、化學(xué)成分、球形度/球形率、流動(dòng)性/休止角、松裝密度/振實(shí)密度、空心粉率、夾雜物等粉末特性的檢測(cè)方法，重點(diǎn)闡述了上述粉末特性對(duì)SLM成形質(zhì)量的影響規(guī)律，并提出了甄別粉末是否滿足SLM技術(shù)要求的指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)，以期為專(zhuān)業(yè)從事金屬增材制造的企業(yè)提供參考。

一、SLM專(zhuān)用粉末定義

目前，3D打印行業(yè)仍未有定義SLM專(zhuān)用粉末的標(biāo)準(zhǔn)頒布。根據(jù)國(guó)內(nèi)外業(yè)界知名專(zhuān)家的研究表明，可通過(guò)如下定義SLM專(zhuān)用粉末的特性指標(biāo)，即具有一定規(guī)格尺寸的金屬顆粒群，化學(xué)成分符合同類(lèi)材質(zhì)國(guó)家軍用標(biāo)準(zhǔn)、國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，粉末形貌球形最佳，具有良好的流動(dòng)性，較高的松裝密度，較低的空心粉率，較低的氧含量，較少的夾雜物（純凈度高）等特性。一般情況下，可以通過(guò)粉末的SEM照片初步判斷該粉末是否符合SLM增材制造技術(shù)的要求。圖1即為一種理想的適用于SLM增材制造技術(shù)的粉末SEM示意圖。

二、粉末特性檢測(cè)方法及其對(duì)SLM工藝的影響

1.粉末粒度及粒度分布

一般情況下，采用激光粒度儀以及篩網(wǎng)篩分法進(jìn)行粉末粒度及粒度分布測(cè)試，測(cè)試方法按照GB/T 19077.1-2008《粒度分析激光衍射法第1部分：通則》、GBT 1480-1995《金屬粉末粒度組成的測(cè)定干篩分法》、GB/T 6003.1-2012《試驗(yàn)篩技術(shù)要求和檢驗(yàn)第1部分：金屬絲編織網(wǎng)試驗(yàn)篩》、GB/T5329-2003《試驗(yàn)篩與篩分試驗(yàn)術(shù)語(yǔ)》的規(guī)定進(jìn)行。

通常，適用于SLM工藝的粉末粒度范圍為15～53 μm，特殊情況下可以適當(dāng)放寬至20～60 μm，但是使用較粗的粉末會(huì)降低打印制品的力學(xué)性能和表面光潔度（表1）。

此外，采用粒度分布集中、顆粒大小基本一致的粉末可以減少打印過(guò)程中的球化、團(tuán)聚現(xiàn)象，表面光潔度更高，且打印的一致性與均勻性可以得到充分保障。

2.化學(xué)成分

現(xiàn)階段，金屬3D打印粉體材料的化學(xué)成分以相應(yīng)的ASTM或傳統(tǒng)合金的國(guó)標(biāo)來(lái)執(zhí)行。如鈷鉻鉬粉末成分執(zhí)行美國(guó)ASTM F75《外科植入物用鈷鉻鉬合金鑄件及鑄造合金標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范》、GB 17100-1997《外科植入物用鑄造鈷鉻鉬合金》；鈦合金粉末成執(zhí)行GB/T 3620.1-2007《鈦及鈦合金牌號(hào)和化學(xué)成分》、GB/T 3620.2-2007《鈦及鈦合金加工產(chǎn)品化學(xué)成分允許偏差》；鑄造鋁合金粉末成分執(zhí)行GB/ T 1173-2013《鑄造鋁合金》、變形鋁合金粉末成分執(zhí)行GB/T 3190-2008《變形鋁及鋁合金化學(xué)成分》；不銹鋼粉末成分執(zhí)行GB/T 1220-2007《不銹鋼棒》；高溫合金粉末成分執(zhí)行GB/T 14992-2005《高溫合金牌號(hào)》等。

粉末化學(xué)成分采用ICP進(jìn)行測(cè)定，針對(duì)不同合金成分各檢測(cè)單位執(zhí)行的是內(nèi)部的企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，可參考GB/T 223.5-2008《鋼鐵及合金化學(xué)分析方法 還原型硅鉬酸鹽光度法測(cè)定酸溶硅含量》、GB/T 223.11-2008《鋼鐵及合金鉻含量的測(cè)定可視滴定或電位滴定法》；碳（C）、硫（S）元素的檢測(cè)采用紅外碳硫分析儀進(jìn)行測(cè)定，執(zhí)行GB/T 20123-2006《鋼鐵總碳硫含量的測(cè)定高頻感應(yīng)爐燃燒后紅外吸收法（常規(guī)方法）》；氧（O）、氮（N）元素的檢測(cè)采用氧氮?dú)渎?lián)測(cè)儀進(jìn)行測(cè)定，其中氧元素檢測(cè)執(zhí)行GB/T 11261-2006《鋼鐵氧含量的測(cè)定脈沖加熱惰氣熔融-紅外線吸收法》、氮元素檢測(cè)執(zhí)行GB/T 20124-2006《鋼鐵氮含量的測(cè)定惰性氣體熔融熱導(dǎo)法（常規(guī)方法）》。

一般地，金屬3D打印粉末的主要化學(xué)成分及雜質(zhì)元素C、S、N、O滿足相應(yīng)牌號(hào)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的范圍，則認(rèn)為該粉末化學(xué)成分合格；粉末氧含量低、表面活性小、潤(rùn)濕性好、少/無(wú)球化現(xiàn)象、熔化效果好，且粉末的可循環(huán)次數(shù)也明顯提升，因此特殊粉末如高溫合金、鈦合金、鋁合金等，一般規(guī)定氧增量不超過(guò)母合金氧含量的50～150 ppm，如鈦合金實(shí)際要求氧含量低于1 300 ppm、高溫合金實(shí)際要求氧含量低于80 ppm、鋁合金，不銹鋼實(shí)際要求氧含量低于500 ppm。

3.球形度/球形率

粉末球形度定義為顆粒的周長(zhǎng)等效直徑與顆粒面積等效直徑的比。測(cè)試方法為采用掃描電子顯微鏡觀察，按照J(rèn)Y/T 010-1996《分析型掃描電子顯微鏡方法通則》進(jìn)行：利用專(zhuān)用軟件，快速分割SEM圖像中明暗區(qū)域，并對(duì)SEM圖中的顆粒進(jìn)行快速劃分，剔除拍攝不完整的顆粒，對(duì)完整顆粒的周長(zhǎng)和面積進(jìn)行當(dāng)量直徑計(jì)算，根據(jù)公式快速得出顆粒球形度數(shù)值。

粉末球形率定義為球形粉末占總粉末的比率。測(cè)試方法為采用光學(xué)顯微鏡及掃描電子顯微鏡觀察，按照J(rèn)Y/T 010-1996《分析型掃描電子顯微鏡方法通則》進(jìn)行：任意抽取一定數(shù)量粒度在規(guī)定范圍內(nèi)的粉末，分篩并稱(chēng)取10 g大于150目的粉粒，然后用顯微鏡對(duì)此部分粉粒逐一觀察檢驗(yàn)，將縱橫比大于2的非球形粉粒分離出來(lái)并稱(chēng)重，據(jù)此計(jì)算球形粉粒及縱橫比大于2的非球形粉粒的質(zhì)量百分比。

球形度/球形率的大小直接影響了顆粒的流動(dòng)性和堆積性能，尤其在S L M工藝中將直接影響其鋪粉性能。故用于S L M工藝的粉末要求球形度達(dá)到0.92以上，縱橫比大于2的片狀、條狀、橢圓狀、啞鈴狀及蔥頭狀等非球形粉末粒的比例和質(zhì)量百分比不超過(guò)3%（球形率達(dá)到97%以上）。粉末球形度/球形率高，鋪粉更加均勻，打印構(gòu)件的致密度得到提高，如圖2所示。

4.流動(dòng)性

粉末流動(dòng)性采用霍爾流量計(jì)進(jìn)行測(cè)試，按照GB/T 1482-1984 《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)）》標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行：稱(chēng)取50g樣粉，堵住漏斗底部小孔，把稱(chēng)好的樣粉倒入漏斗中，開(kāi)啟漏斗小孔時(shí)開(kāi)始計(jì)時(shí)，樣粉漏完后記錄所需要的時(shí)間，同一樣品測(cè)量3次，最終以（均值）表示該粉末的流動(dòng)性。SLM對(duì)不同合金粉末的流動(dòng)性要求不同，具體見(jiàn)表2所示。

當(dāng)然，有沒(méi)有流動(dòng)性不能作為評(píng)判粉末適用于SLM的唯一標(biāo)準(zhǔn)。經(jīng)過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，某些氣霧化的粉末，尤其是鋁合金沒(méi)有流動(dòng)性，但是卻能夠滿足SLM的鋪粉要求，還能打印出較為理想的構(gòu)件。圖3所示為沒(méi)有流動(dòng)性的鋁合金粉末SEM示意圖，但是能夠滿足SLM工藝要求。因此，評(píng)判粉末能否適用于SLM工藝，還需考察另一個(gè)粉末參數(shù)——休止角。

休止角是粉體堆積層的自由斜面與水平面所形成的最大角，是粒子在粉體堆積層的自由斜面上滑動(dòng)時(shí)所受重力和粒子間摩擦力達(dá)到平衡而處于靜止?fàn)顟B(tài)下測(cè)得，是檢驗(yàn)粉體流動(dòng)性的好壞的最簡(jiǎn)便的方法。休止角大小直接反映粉體的流動(dòng)，休止角越小，粉體的流動(dòng)性越好。經(jīng)過(guò)研究測(cè)試表面，粉末休止角≤35°，才能保證粉末能夠適用于SLM工藝（如圖4）。

5.松裝密度/振實(shí)密度

松裝密度是指粉體在特定容器中處于自然充滿狀態(tài)后的密度。采用霍爾流量計(jì)進(jìn)行測(cè)試，按照GB/T 1479.1-2011《金屬粉末松裝密度的測(cè)定 第1部分漏斗法》標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行：將粉末倒入孔徑為2.5 mm的漏斗使粉末自然流下，直至特定容器完全被粉末充滿且溢出；用非磁刮刀片刮平粉末，測(cè)量質(zhì)量；最后通過(guò)計(jì)算公式ρa(bǔ)c=m/V=m/25，得出粉末松裝密度。振實(shí)密度是指一定質(zhì)量（或體積）的粉體裝填在特定容器后，對(duì)容器進(jìn)行一定強(qiáng)度的振動(dòng)，從而破壞粉體顆粒間的空隙，使顆粒處于緊密狀態(tài)。這時(shí)的粉體密度叫振實(shí)密度。粉末振實(shí)密度按照GB/T 21354-2008《粉末產(chǎn)品振實(shí)密度測(cè)定通用方法》、GB/T 5162-2006《金屬粉末振實(shí)密度的測(cè)定》標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行。

經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，粉末的松裝密度、振實(shí)密度越高，成形構(gòu)件的致密度也也高。一般認(rèn)為，粉末的松裝密度大于其致密材料的55%以上、振實(shí)密度大于其致密材料的62%以上，才能保證成形構(gòu)件≥98%。

6.空心粉率

采用光學(xué)金相顯微鏡觀察方法。任意抽取5～15 g粉末與環(huán)氧樹(shù)脂攪拌均勻，固化制成30 mm×50 mm平板狀金相試樣，按照普通金相試樣制備方法粗磨掉表面1 mm不均勻?qū)?，然后用水砂紙?xì)磨至1 500#，拋光，不經(jīng)腐蝕置于光學(xué)顯微鏡下觀察，視野內(nèi)粉?？倲?shù)不少于100個(gè)，測(cè)量孔洞直徑與粉末直徑比值大于0.15的空心粉的數(shù)目。取3個(gè)視野內(nèi)空心粉數(shù)目的平均值作為最終測(cè)量值。

研究表明，適用于SLM工藝的粉末要求含有卷入性氣體的空心粉的比例不大于1%?？招姆垡话愦嬖谟跉忪F化制粉過(guò)程中：高速氬氣（Ar）氣流對(duì)熔體的沖擊分散易在粉末顆粒內(nèi)部形成閉合孔隙，該閉孔內(nèi)含有一定量的Ar氣體，Ar氣通常不熔于金屬，在3D打印過(guò)程中不易消除，形成氣隙、卷入性和析出性氣孔、裂紋等缺陷，即使采用熱等靜壓也無(wú)法消除該類(lèi)缺陷，在隨后熱處理過(guò)程中易發(fā)生熱誘導(dǎo)孔隙長(zhǎng)大。而采用等離子旋轉(zhuǎn)霧化（PREP）法制得的實(shí)心粉末，粉末球形度更高、流動(dòng)性更好、氣體體積分?jǐn)?shù)低，能夠有效避免上述缺陷。采用氣霧化法制得的空心粉末導(dǎo)致打印過(guò)程中出現(xiàn)的缺陷如圖5所示。

7.夾雜物

通過(guò)目視、體視顯微鏡和掃描電鏡進(jìn)行檢查。取待測(cè)粉末100 g，放入直徑為50～100 mm的玻璃器皿中（可分批放入，以單層平鋪為原則），首先通過(guò)目視直系檢查，然后分別用體視顯微鏡、掃描電鏡仔細(xì)對(duì)樣品粉末夾雜進(jìn)行檢查（如圖6所示）。

采用含有非金屬夾雜的粉末進(jìn)行3D打印，一方面構(gòu)件的致密度會(huì)大幅降低，另一方面構(gòu)件內(nèi)部組織將彌散大量的非金屬夾雜相，最終影響構(gòu)件的疲勞性能，如圖7所示。一般3D打印要求制粉過(guò)程中不得引入任何無(wú)機(jī)非金屬夾雜物、異質(zhì)金屬、污染物及其他有害的外來(lái)物質(zhì)。粉末中的夾雜物數(shù)量每100 g不得多于2個(gè)，夾雜物尺寸不大于35 μm。

三、結(jié)語(yǔ)

金屬3D打印技術(shù)，尤其是SLM技術(shù)對(duì)原料粉末的性能要求較高，國(guó)內(nèi)大部分自主生產(chǎn)的粉末難以滿足SLM的使用要求，只能依靠進(jìn)口，價(jià)格高昂，造成SLM技術(shù)的大范圍普及還難以實(shí)現(xiàn)。原料粉末已經(jīng)成為制約SLM技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)瓶頸。本文在原料粉末制備及SLM工藝的大量研究基礎(chǔ)上，提出了選取SLM原料粉末的參考依據(jù)：

①適用于SLM工藝的粉末粒度范圍可以放寬至20～60 μm，粉末粒度分布盡量窄，粉末顆粒大小基本一致；

②主要化學(xué)成分及雜質(zhì)元素C、S、N、O滿足相應(yīng)牌號(hào)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的范圍，粉末氧增量不高于母合金的0.01 %；

③球形度達(dá)到0.92以上，縱橫比大于2的片狀、條狀、橢圓狀、啞鈴狀及蔥頭狀等非球形粉末粒的比例和質(zhì)量百分比不超過(guò)3%；

④粉末具備流動(dòng)性，但是有無(wú)流動(dòng)性不能作為粉末是否適用于SLM工藝的唯一判據(jù)。無(wú)流動(dòng)性的粉末可通過(guò)休止角測(cè)定進(jìn)行粉末是否滿足鋪粉要求的判定，一般要求休止角≤35°；

⑤要求粉末的松裝密度大于其致密材料的55%以上、振實(shí)密度大于其致密材料的62%以上；

⑥適用于SLM工藝的粉末要求含有卷入性氣體的空心粉的比例不大于1%；

⑦制粉過(guò)程中不得引入任何無(wú)機(jī)非金屬夾雜物、異質(zhì)金屬、污染物及其他有害的外來(lái)物質(zhì)。粉末中的夾雜物數(shù)量每100 g不得多于2個(gè)，夾雜物尺寸不大于35 μm。

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