Malvern白皮書：探索粒度和形狀在金屬增材制造中的作用和測量

導(dǎo)讀：近年來，金屬增材制造已成功地從原型制作工具轉(zhuǎn)變?yōu)橐环N全新,、成熟且經(jīng)濟(jì)上可行的零部件生產(chǎn)方式。而金屬3D打印機(jī)的年銷量從2012年的不到200臺(tái)上升到2019年的近2300臺(tái),。制造業(yè)中的增材制造也推動(dòng)了金屬材料市場份額的增加,。到2023年，該細(xì)分市場預(yù)計(jì)將占整個(gè)制造市場的四分之一,。

Malvern Panalytical作為科學(xué)儀器提供商,，主要生產(chǎn)用于材料分析的技術(shù)以及用于測量顆粒大小，形狀和電荷的主要儀器,。相關(guān)儀器包括激光粒度分析儀,、粒度儀、X射線衍射儀,、zeta電位儀,、X射線熒光光譜儀、凝膠滲透色譜儀等精密儀器,。南極熊發(fā)現(xiàn)這家公司針對(duì)金屬粉末粒度和形狀對(duì)于增材制造的影響進(jìn)行了一系列分析,，并發(fā)布了相關(guān)白皮書。

△粉末床增材制造工藝（例如SLM）需要快速、均勻的粉末鋪展和有效回收多余粉末,。

白皮書表明,，金屬3D打印粉末質(zhì)量會(huì)大大影響最終產(chǎn)品，不僅需要將指定材料的合金成分相容,，還必須仔細(xì)選擇等級(jí)，以控制存在的間隙元素,，如氧或氮,，以及可能影響成品部件性能的顆粒污染物。

粉末形狀和粒度對(duì)于增材制造的影響

除了化學(xué)因素之外,，決定增材制造性能的是金屬粉末的物理特性,，例如堆積密度和流動(dòng)性。高密度填充粉末能夠生產(chǎn)質(zhì)量一致且缺陷較少的組件,，而良好的流動(dòng)性使粉末能夠均勻,、平穩(wěn)地鋪展在床上，形成沒有氣孔的均勻?qū)�,。而堆積密度和流動(dòng)性直接（但不完全是）受形態(tài)特征（例如顆粒大小和形狀）的影響,。例如,，光滑、規(guī)則形狀的顆粒通常比具有粗糙表面或不規(guī)則形狀的顆粒更容易流動(dòng),。這是因?yàn)檩^粗糙的表面會(huì)導(dǎo)致顆粒間摩擦增加,，而形狀不規(guī)則的顆粒更容易發(fā)生機(jī)械互鎖。這兩種效應(yīng)都會(huì)降低流動(dòng)性,。同樣,，球形顆粒往往比不規(guī)則顆粒更能夠進(jìn)行有效堆積，產(chǎn)生更高的堆積密度,。

△氣體霧化粉末的典型霧化粒度分布,，包括各種先進(jìn)粉末冶金制造技術(shù)所需的粒度分布,。

至于粒度，增材制造的金屬粉末必須非常細(xì),，這樣才能形成幾十微米厚的粉末床,。然而，這些“細(xì)顆�,！笨赡軙�(huì)給健康和安全以及流動(dòng)性帶來問題,。由于顆粒之間的吸引力隨著顆粒尺寸的減小而增加，因此較細(xì)的粉末通常比較粗的類似物流動(dòng)性更差,。優(yōu)化粒子形狀有助于減輕這種影響,。粒度和粒度分布也影響堆積，具體來說,，細(xì)顆粒填充較大顆粒留下的空隙可實(shí)現(xiàn)最大堆積密度,。

粉末生產(chǎn)過程以及對(duì)性能的影響

增材制造中使用的大多數(shù)金屬粉末都是通過氣體霧化生產(chǎn)的。在這個(gè)過程中,，原料在坩堝中熔化,，然后通過噴嘴噴射到高壓氣流（通常是氬氣或氮?dú)猓┲校�熔融氣流破碎成液��,。氣體霧化產(chǎn)生的顆粒尺寸可以通過改變工藝參數(shù)來控制,，例如氣體壓力、熔體特性,、噴嘴設(shè)計(jì)和氣體金屬比,。然而，由此產(chǎn)生的粉末對(duì)于增材制造工藝來說并不理想,，需要更窄的粒度分布才能產(chǎn)生厚度一致的粉末層,。因此，這一過程還需要應(yīng)用各種后霧化工藝來獲得所需的尺寸分?jǐn)?shù),，包括“剝皮”過程以去除過大的顆粒,，然后進(jìn)行空氣分級(jí)或篩分,。

△用于制造金屬粉末的氣體霧化工藝示意圖,，顯示了可以使用激光衍射的點(diǎn)。

球形顆粒最適合粉末床增材制造,，因?yàn)樗鼈兙哂懈�好的填充性和流�?dòng)性,。氣體霧化顆粒相對(duì)呈球形，當(dāng)然也可能具有其他可能,，例如小顆粒和較大顆粒在霧化過程中融合或凝聚形成不規(guī)則形狀,。這不僅會(huì)影響粉末的流動(dòng)性和堆積，而且這些顆粒非常�,。ㄍǔ���1-10 微米）,，分離工作也會(huì)使它們通過空氣傳播，并對(duì)健康和安全造成風(fēng)險(xiǎn),。一種方法是通過等離子霧化或等離子旋轉(zhuǎn)電極工藝(PREP) 可以生產(chǎn)更多球形顆粒,，但價(jià)格較高。

△激光衍射測量背后的原理，來自最佳位置的探測器拾取的分散顆粒的衍射光,。

隨后,，白皮書針對(duì)激光衍射、自動(dòng)圖像分析,、動(dòng)態(tài)和靜態(tài)圖像分析等方法對(duì)于粉末粒度和形狀測量進(jìn)行的闡述,。并最終表示，金屬粉末顆粒的大小和形狀影響粉末床的堆積和流動(dòng)性,。反過來,，這些功能會(huì)影響增材制造組件的構(gòu)建質(zhì)量和最終屬性。因此,，了解和優(yōu)化粒度和形狀對(duì)于粉末床增材制造的成功至關(guān)重要,。而激光衍射和自動(dòng)圖像分析是互補(bǔ)工具，可用于表征和優(yōu)化粉末床增材制造工藝的金屬粉末,。

此外，南極熊還附上了相關(guān)的另一份白皮書：用于粒度分析的采樣,，方便感興趣的小伙伴進(jìn)行進(jìn)一步探索,。

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