中國粉體網(wǎng)訊 粉末床熔融（Powder Bed Fusion，PBF）增材制造是目前發(fā)展最快、應(yīng)用最廣泛的金屬增材制造技術(shù)，具有成形精度高、力學(xué)性能好、構(gòu)件復(fù)雜、成形效率高等優(yōu)點。目前，粉末床熔融增材制造常用的金屬粉包括鈦合金、鎳基合金、鐵基合金、鈷鉻合金、鋁合金、銅合金及鎢、鉬、鉭、鈮等難熔金屬。
作為原料，金屬粉體的品質(zhì)在很大程度上決定了最終產(chǎn)品的質(zhì)量。綜合來看，粉體的潔凈度、形貌和粒徑分布等是制約零件成型性能的關(guān)鍵因素。
（圖源：中航邁特）
粉體潔凈度
3D打印用金屬粉體的化學(xué)成分包括金屬元素和雜質(zhì)成分，主要金屬元素常用的有Fe、Ti、Ni、Al、Cu、Co、Cr以及貴金屬Ag、Au等。雜質(zhì)成分主要指金屬化合物或非金屬成分，比如還原鐵中的Si、Mn、C、S、P、O等，從原料和粉體生產(chǎn)過程中摻進(jìn)的機械夾雜，如SiO2、Al2O3、硅酸鹽、難溶金屬碳化物等酸的不溶物，粉體表面吸附的氧、水汽和其他氣體。
在激光或者電子束掃描粉體時，一方面雜質(zhì)可能會與基體金屬發(fā)生反應(yīng)，致使基體金屬性質(zhì)發(fā)生改變，影響3D打印成形件的質(zhì)量；另一方面夾雜物的存在使粉體熔化不均勻，造成最終成形件的內(nèi)部缺陷。機械夾雜對制件韌度尤其是沖擊韌性尤為不利，非金屬夾雜的分布狀態(tài)和形狀不同對成形件影響不一。
在含氧量較高的情況下，基體金屬在高溫下的氧化除了會與基體金屬發(fā)生反應(yīng)形成致密的氧化膜影響制件性能以外，還會直接導(dǎo)致球化現(xiàn)象，降低制件的致密度和成形質(zhì)量。鋼中碳、磷、硫、氧、氮幾種元素對韌性極為有害。因此，粉體中的雜質(zhì)成分和夾雜應(yīng)嚴(yán)格控制在一定范圍內(nèi)，以滿足增材制造工藝和零件性能要求。
粉體的形貌
粉體的形貌直接影響松裝密度和流動性，進(jìn)而影響送鋪粉過程，對零件的最終性能產(chǎn)生影響。在粉末床熔融增材制造中，鋪粉機構(gòu)將粉體顆粒均勻地鋪展在成形區(qū)域，良好的流動性是獲得均勻平整粉末床的關(guān)鍵。球形和近球形粉體的流動性較好，松裝密度高，可獲得高的致密度和均勻組織，是粉末床熔融增材制造的首選原料粉體。
但是，如果球形和近球形粉體中存在空心粉和衛(wèi)星粉，會降低零件的最終性能。空心粉在粒徑大于70µm的粉體中占比更高，會導(dǎo)致成形件中存在難以消除的孔隙等缺陷；衛(wèi)星粉會降低粉體的流動性，并阻礙連續(xù)粉末層鋪展期間粉體的均勻堆積，進(jìn)而造成零件缺陷。因此，粉末床熔融增材制造用金屬粉體應(yīng)盡量降低粉體原料中空心粉和衛(wèi)星粉占比。
粉體的粒徑分布
粉體粒度分布是用于表征粉體顆粒體系中粒徑大小不同的顆粒組成及變化情況，是用來描述粉體顆粒特征的重要參數(shù)。
粉末的粒徑大小直接影響增材制造過程的鋪粉質(zhì)量、成形速度、成形精度及組織均勻性。對于不同的工藝，選用的粉體粒度大小有所不同。一般來說，激光選區(qū)熔化技術(shù)（SLM）選擇粒徑在15~45µm的粉體，電子束選區(qū)熔化技術(shù)（SEBM）選擇粒徑在45~106µm的粉體。
從熱力學(xué)和動力學(xué)的角度來講，粉體顆粒越小，其比表面積越大，燒結(jié)驅(qū)動力越大，即小顆粒的粉體有利于零件的成形。但是，粒度過細(xì)的粉體會導(dǎo)致粉體的流動性、松裝密度、電導(dǎo)率降低，粉體的成型性變差，在打印過程中容易出現(xiàn)球化現(xiàn)象。粉體粒徑過粗會降低粉體燒結(jié)活性、鋪粉均勻性、成型精度等。
因此，根據(jù)最終零件的性能要求，對粗細(xì)粉體進(jìn)行適當(dāng)搭配，提高粉體的松裝密度和流動性，有利于粉末床熔融增材制造的進(jìn)行。研究人員認(rèn)為，在激光粉末床熔融增材制造工藝通用粒度范圍條件下，采用更寬的粒度分布，可以增加小尺寸顆粒對大尺寸顆粒堆積空隙的填充，可以提高粉體在鋪粉過程中的粉末床密度。
粉體內(nèi)聚力
由于激光粉末床熔融增材制造工藝是通過金屬粉的逐層鋪展和隨后的激光熔化結(jié)合而成，為了獲得更高的成形質(zhì)量，粉體的內(nèi)聚力作為一個重要的顆粒特征指標(biāo)，是影響粉體的鋪粉均勻性和成形質(zhì)量的重要因素之一。除了前述的粉體粒度形貌因素影響之外，粉體的內(nèi)聚力是另一重要因素。
在制藥和食品加工領(lǐng)域，粉體的內(nèi)聚力對粉體流動性及其他特性的影響有廣泛的研究。其中設(shè)備施加的機械載荷、顆粒間的相互作用力，如Vander-Waals力、局部化學(xué)鍵、靜電力和吸附水分形成毛細(xì)力等，均對粉體的內(nèi)聚力產(chǎn)生影響，從而進(jìn)一步影響粉體的流動性。
從粉體特征變化對成形質(zhì)量的影響研究現(xiàn)狀來看，粉體粒度、形貌及表面狀態(tài)的變化影響了粉體的鋪粉和成形質(zhì)量。其中在成形致密度方面，通過合理的粒度分布、更高的球形度和顆粒間內(nèi)聚力的降低，可以提升粉體的松裝密度和鋪粉質(zhì)量，進(jìn)一步減少了成形試樣中孔隙、未熔合缺陷的數(shù)量，提升成形致密度。
增材制造用金屬粉體產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀
目前，我國在粉末床熔融增材制造用金屬粉體的研發(fā)及產(chǎn)業(yè)化方面雖取得一定進(jìn)展，涌現(xiàn)出多家制粉裝備和金屬粉體生產(chǎn)商，但相比國外，我國在該領(lǐng)域整體起步較晚。相關(guān)制粉技術(shù)及裝備被德、美、英等國壟斷，美國卡彭特、GE，英國LPW、山特維克、吉凱恩，瑞典赫格納斯等歐美企業(yè)壟斷了增材制造專用鈦合金粉60%以上的核心專利。國外對包括球形鈦合金粉在內(nèi)的部分球形金屬粉采取限量出口政策，大幅抬高粉體原料價格，并延長供貨周期，嚴(yán)重制約了我國粉末床熔融乃至金屬增材制造產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。
因此，開發(fā)具有我國自主知識產(chǎn)權(quán)、增材制造技術(shù)專用的金屬合金體系（主要包括鈦合金、金屬間化合物體系等），解決高品質(zhì)球形粉體的制粉關(guān)鍵技術(shù)，實現(xiàn)我國高品質(zhì)金屬合金球形粉體的低成本、批量化生產(chǎn)，不僅具有重大經(jīng)濟(jì)效益，更對航空航天、生物醫(yī)學(xué)等戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)的發(fā)展具有重要促進(jìn)作用。
參考來源：
[1]郭瑜等：粉末床熔融增材制造用金屬粉末的研究現(xiàn)狀，廣州賽隆增材制造有限責(zé)任公司
[2]張鵬：粉末特征對激光粉末床熔融GH3230合金成形質(zhì)量的影響研究，鋼鐵研究總院
[3]程玉婉等：金屬3D打印技術(shù)及其專用粉末特征與應(yīng)用，華南理工大學(xué)國家金屬材料近凈成形工程技術(shù)研究中心
（中國粉體網(wǎng)編輯整理/平安）
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