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粒度和形状在金属增材制造中的作用和丈量

宣布时间：

2022-09-23 13:35

导读：近年来，金属增材制造已乐成地从原型制作工具转变为一种全新、成熟且经济上可行的零部件生产方法。而金属3D打印机的年销量从2012年的不到200台上升到2019年的近2300台。制造业中的增材制造也推动了金属质料市场份额的增加。到2023年，该细分市场预计将占整个制造市场的四分之一。

Malvern Panalytical作为科学仪器提供商，主要生产用于质料剖析的技术以及用于丈量颗粒巨细，形状和电荷的主要仪器。相关仪器包括激光粒度剖析仪、粒度仪、X射线衍射仪、zeta电位仪、X射线荧光光谱仪、凝胶渗透色谱仪等精密仪器。南极熊发明这家公司针对金属粉末粒度和形状关于增材制造的影响进行了一系列剖析，并宣布了相关白皮书。

△粉末床增材制造工艺（例如SLM）需要快速、均匀的粉末铺展和有效接纳多余粉末。

白皮书标明，金属3D打印粉末质量会大大影响最终产品，不但需要将指定质料的合金身分相容，还必须仔细选择品级，以控制保存的间隙元素，如氧或氮，以及可能影响制品部件性能的颗粒污染物。

粉末形状和粒度关于增材制造的影响

除了化学因素之外，决定增材制造性能的是金属粉末的物理特性，例如聚集密度和流动性。高密度填充粉末能够生产质量一致且缺陷较少的组件，而良好的流动性使粉末能够均匀、平稳地铺展在床上，形成没有气孔的均匀层。而聚集密度和流动性直接（但不完全是）受形态特征（例如颗粒巨细和形状）的影响。例如，平滑、规则形状的颗粒通常比具有粗糙外貌或不规则形状的颗粒更容易流动。这是因为较粗糙的外貌会导致颗粒间摩擦增加，而形状不规则的颗粒更容易爆发机械互锁。这两种效应都会降低流动性。同样，球形颗粒往往比不规则颗粒更能够进行有效聚集，爆发更高的聚集密度。

△气体雾化粉末的典范雾化粒度漫衍，包括种种先进粉末冶金制造技术所需的粒度漫衍。

至于粒度，增材制造的金属粉末必须很是细，这样才华形成几十微米厚的粉末床。然而，这些“细颗粒”可能会给健康和宁静以及流动性带来问题。由于颗粒之间的吸引力随着颗粒尺寸的减小而增加，因此较细的粉末通常比较粗的类似物流动性更差。优化粒子形状有助于减轻这种影响。粒度和粒度漫衍也影响聚集，具体来说，细颗粒填充较大颗粒留下的空隙可实现最大聚集密度。

粉末生产历程以及对性能的影响

增材制造中使用的大大都金属粉末都是通过气体雾化生产的。在这个历程中，原料在坩埚中熔化，然后通过喷嘴喷射到高压气流（通常是氩气或氮气）中，熔融气流破碎成液滴。气体雾化爆发的颗粒尺寸可以通过改变工艺参数来控制，例如气体压力、熔体特性、喷嘴设计和气体金属比。然而，由此爆发的粉末关于增材制造工艺来说并不睬想，需要更窄的粒度漫衍才华爆发厚度一致的粉末层。因此，这一历程还需要应用种种后雾化工艺来获得所需的尺寸分数，包括“剥皮”历程以去除过大的颗粒，然后进行空气分级或筛分。

△用于制造金属粉末的气体雾化工艺示意图，显示了可以使用激光衍射的点。

球形颗粒最适合粉末床增材制造，因为它们具有更好的填充性和流动性。气体雾化颗粒相对呈球形，虽然也可能具有其他可能，例如小颗粒和较大颗粒在雾化历程中融合或凝聚形成不规则形状。这不但会影响粉末的流动性和聚集，并且这些颗粒很是�。ㄍǔＮ�1-10 微米），疏散事情也会使它们通过空气流传，并对健康和宁静造成危害。一种要领是通过等离子雾化或等离子旋转电极工艺(PREP) 可以生产更多球形颗粒，但价格较高。

△激光衍射丈量背后的原理，来自最佳位置的探测器拾取的疏散颗粒的衍射光。

随后，白皮书针对激光衍射、自动图像剖析、动态和静态图像剖析等要领关于粉末粒度和形状丈量进行的论述。并最终体现，金属粉末颗粒的巨细和形状影响粉末床的聚集和流动性。反过来，这些功效会影响增材制造组件的构建质量和最终属性。因此，了解和优化粒度和形状关于粉末床增材制造的乐成至关重要。而激光衍射和自动图像剖析是互补工具，可用于表征和优化粉末床增材制造工艺的金属粉末。

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