金屬3D打印粉末技術指標標準是如何定義的？

魔猴君  知識堂   1971天前

金屬3D打印粉末技術指標標準是如何定義的3D打印作為一種新興的制造技術，近年來發展迅速。然而，對于工業級金屬3D打印領域，粉末耗材仍是制約該技術規模化應用的重要因素之一。

目前，認為國內尚未制訂出金屬3D打印材料標準、工藝規范、零件性能標準等行業標準或國標。業內對于金屬粉末的評價指標，主要有化學成分、粒度分布、粉末的球形度、流動性、松裝密度。其中，化學成分、粒度分布是金屬3D打印領域用于評價金屬粉末質量的常用指標，球形度、流動性、松裝密度可作為評價質量的參考指標。下面由帶你進入打印粉末指標的世界。

1、化學成分：金屬粉末中各元素實際所占的質量百分比（wt. %）。以上表為例，在該合金中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百分比為6.25%，其它元素質量百分比可以此類推。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來確定金屬的組成成分，可以實現金屬化學成分的定性分析和定量分析；光譜分析法是利用金屬中各種元素在高溫、高能量的激發下產生的自己特有的特征光譜來確定金屬的化學成分及大致含量，一般用于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，由專業的檢測機構的人員完成。大部分鑄態、鍛造的金屬的化學成分都有相應的行業標準或國標，以評價該金屬的化學成分指標是否合格。

然而，用于金屬3D打印的粉末技術新穎，業內尚無相應的行業標準或國標，業內通常認可的評價方法是沿用該金屬粉末對應的鑄態標準，或在該標準的基礎上雙方協商放寬指標要求。對于金屬3D打印而言，因為打印過程中金屬重熔后，元素以氣體形態存在，有可能在局部生成氣眼等缺陷，影響工件致密性及力學性能。所以，對不同體系的金屬粉末，氧含量均為一項重要指標，業內對該指標的一般要求在1500ppm以下，也即氧元素在金屬中所占的質量百分比在0.13~0.15%之間，航空航天等特殊應用領域，客戶對此指標的要求更為嚴格。部分客戶也要求控制氮含量指標，一般要求在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：不同尺寸的金屬粉末顆粒的在一定尺寸區間內所占的體積百分比的統計數據，此數據呈正態分布。以上圖為例，金屬粉末顆粒粒度分布結果中，d(10)=17.290μm，代表尺寸小于17.290μm的粉末體積所占比例不低于10%。以此可知，該粉末中，尺寸小于33.478μm的粉末比例不低于50%，小于57.663μm的粉末比例不低于90%。金屬粉末的粒度分布可以通過激光粒度分析儀分析。

金屬3D打印常用的粉末的粒度范圍是15~53μm（細粉），53~105μm（粗粉）。此粒度范圍是根據不同的能量源的金屬打印機劃分的，以激光作為能量源的打印機，因其聚焦光斑精細，較易熔化細粉，適合使用15~53μm的粉末作為耗材，因為此粒度范圍內的粉末既有良好的流動性，又較易容化，粉末補給方式為逐層鋪粉；以等離子束作為能量源的打印機，聚焦光斑略粗，更適于熔化粗粉，適合使用53~105μm的粉末作為耗材，粉末補給方式為同軸送粉。

3、球形度、松裝密度、流動性等參考指標球形度也就是金屬粉末顆粒接近球體的程度，一般通過掃描電子顯微鏡（SEM）定性的分析。

上圖為不同金屬粉末的SEM形態照片，可以看出，左圖粉末顆粒的球形度要優于右圖粉末。一般而言，球形度佳，粉末顆粒的流動性也比較好，在金屬3D打印時鋪粉及送粉更容易進行。流動性是指以一定量金屬粉末顆粒流過規定孔徑的量具所需要的時間，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的流動性愈好。

流動性也可以用休止角表征，休止角指在重力場中，顆粒在金屬粉末堆積層的自由斜面上滑動時所受重力和粒子之間摩擦力達到平衡而處于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，摩擦力越小，流動性越好，越有利于鋪粉及送粉的進行。松裝密度是直接鋪粉得到的金屬粉末在一定體積內的質量，可以通過漏斗法測量。松裝密度僅作為參考指標，表征粉末在補給過程中堆垛密實程度，其對于金屬打印的終產品的密度影響并不確定。