淺談增材制造用金屬粉末工藝和性能及其對終產(chǎn)品的影響

來源：國家藥品監(jiān)督管理局醫(yī)療器械技術審評中心

隨著醫(yī)學影像學和數(shù)字化的快速發(fā)展,，個性化,、精準化成為骨科發(fā)展的一個重要方向,，增材制造技術是實現(xiàn)骨科手術個性化和精準化的一種有效手段,。骨科植入物制造商通過增材制造技術制造的類似于骨小梁多孔結構的金屬髖臼杯,、人工椎體和椎間融合器已獲準上市,。目前,，應用于骨科植入物的增材制造產(chǎn)品主要是以Ti-6Al-4V鈦合金粉末為原材料的電子束熔融（EBM）和激光選區(qū)熔融（SLM）技術制造。金屬粉末的顆粒形貌,、粒徑分布和流動性等性能對于增材制造終產(chǎn)品的性能具有重要影響,，本文旨在簡要介紹增材制造用金屬粉末的制備工藝和粉末的關鍵性能及其對終產(chǎn)品的影響。

△圖1 骨科植入物的增材制造產(chǎn)品過程

一,、金屬粉末制備工藝

金屬粉末的制備過程是將經(jīng)過冶煉的合金原料（錠,、棒或絲等）高溫熔融，再霧化形成粉末,。目前,，主要的制備工藝方法為水霧化法、氣霧化法（Electrode Induction-melting Gas Atomization,，電極感應加熱氣霧化法）,、等離子體霧化法、等離子體旋轉電極霧化法(Plasma rotating electrode process)以及氫化-脫氫法等,。

△表1 增材制造用金屬粉末的制備工藝

氣霧化法是將原料在空氣,、惰性氣體下或在真空條件下熔融,，隨后熔融合金流體通過高速空氣、氮氣,、氦氣或氬氣噴嘴霧化成顆粒,。粉末顆粒大多呈球形，存在一些不規(guī)則的顆粒,，顆粒粒徑范圍為0～500μm,。在20～150μm范圍內(nèi)的粉體產(chǎn)量在總產(chǎn)量的10%～50%之間波動,。

△圖2 氣體霧化過程

等離子霧化法是以冶煉合金絲材或者經(jīng)過破碎處理的粉末為原料,，在等離子弧和氣體噴槍的作用下霧化成顆粒。粒徑分布為0～200μm,，顆粒球形度好,。等離子體旋轉電極霧化法是在等離子霧化法基礎上改用棒材為原料，進料過程中旋轉棒材,，形成的顆粒在接觸到腔體之前已經(jīng)固化,，因此粉末的純度高。顆粒粒徑在100μm以下,，生產(chǎn)成本很高,。

△圖3 等離子體霧化過程

雖然水霧化法和氫化-脫氫法制備粉末成本更低，但是這兩種方法制備的顆粒形貌為不規(guī)則的,，因此,，在增材制造領域應用較為有限。從圖4中可以看出,，氣霧化法制備的Ti-6Al-4V粉末形貌近似于球體,，而等離子體旋轉電極霧化法制備的Ti-6Al-4V粉末純度高，顆粒形貌高度球體化,。

△圖4 不同制備工藝Ti-6Al-4V粉末掃描電鏡SEM圖: (a) 水霧化法; (b) 氣霧化法; (c) 等離子體霧化法; (d) 等離子體旋轉電極霧化法,。

二、粉末特性的關鍵指標

增材制造產(chǎn)品的質(zhì)量可以從以下幾個方面綜合評價：工件的致密度,、尺寸精度,、表面光潔度、打印速度以及機械性能,。由于鋪粉（powder bed）和增材制造設備參數(shù)聯(lián)系緊密,，為達到良好的產(chǎn)品質(zhì)量，必須保證鋪粉的粉末特性（characteristics of the powder bed）和增材制造設備參數(shù)的穩(wěn)定性和一致性,。目前,，影響粉末特性的關鍵指標及測試表征方法主要有以下幾個：

△表2 關鍵指標及測試表征方法

ASTM F3049-14標準規(guī)定了增材制造金屬粉末性能的測試項目，包括粉末粒度分布（ISO 13320-1,，激光粒度儀測試法,；ISO 4497，篩分法）、松裝密度（ISO 3923-1和ISO 3923-2,，評價粉體堆積密度）,、流動性（ASTM B213，ASTM B964）等,。

（1）顆粒形貌（Particle Morphology）

顆粒形貌對粉體的堆積密度和流動性能有很大影響,。與不規(guī)則的顆粒相比，球狀的或規(guī)則的等軸顆粒傾向于有序緊密堆積,。研究表明,，顆粒形貌對鋪粉的堆積密度進而對打印工件的密度有顯著影響，顆粒形貌越不規(guī)則,，顆粒的堆積密度越低,，導致增材制造產(chǎn)品存在缺陷。

△圖5 顆粒堆積對增材制造成品致密度的影響

（2）粒徑分布（Particle Size Distribution）

在能量源束斑直徑一定的條件下,，粒徑分布決定了最小打印層厚度和工件細節(jié)尺寸的精度,。粒徑越小，工件尺寸精度越高,，但是由于鋪層厚度小,，打印工件的效率低。在增材制造實體結構時,，大球體堆積形成框架,，小球體填充大球體之間的孔隙，從而形成相對致密的結構,。因此,，致密的材料結構需要不同粒徑的粉體，通常選用不同粒徑的粉體按照一定體積分數(shù)進行混合,。

通常,，EBM使用的粉末粒徑分布在45～106μm，SLM使用的粉末粒徑分布更窄,，介于15～45μm,。粉末粒徑分布對打印構件的最小層厚度和最精細細節(jié)的分辨率都有顯著的影響。但是,，更細粉末的使用增加了健康和安全問題的風險,。在處理活性材料（如鈦）時尤其如此，因為這些材料的細小顆�,？赡芨�易燃易��,。

（3）粉體堆積和流動性能（Bulk Packing and Flow Properties）

對于增材制造技術，粉體的流動性是極其重要的性能指標,，進料粉末精確地堆積薄而均勻的粉末層,，粉末層之間融化決定了工件密度的均勻性,。與流動性好的粉體相比，機械刮輥容易將粉床上團聚形成的粗大粉末推出粉床,，會導致原堆積位置留下空位,，由于粉體流動性較差不能回填形成的孔洞，最終可能導致打印終產(chǎn)品質(zhì)量下降（內(nèi)部形成孔洞）,，見圖6,。粉體的流動性應遵循以下幾個規(guī)則：

(a) 球形粉末顆粒比不規(guī)則或有棱角的粉末具有更好地流動性；
(b) 顆粒粒徑對于其流動性有很大影響,，顆粒尺寸大的比尺寸小的流動性更好,；
(c) 由于顆粒間的毛細作用，粉末的濕度會降低其流動性,；
(d) 在測量流動性的時候,，粉末的流動性與粉末堆積密度相關，堆積密度高的粉末流動性比堆積密度低的差,；
(e) 相鄰顆粒間的吸引力如范德華力和靜電力會影響粉末的流動性或造成粉末團聚，對于粒徑越小的粉末該作用力越明顯,。

△圖6 增材制造終產(chǎn)品中的孔隙

（4）化學成分

氮元素和氧元素作為合金間隙原子,，對于增材制造鈦合金的性能有很大影響。例如,，Ti-6Al-4V和純鈦的抗拉強度和延伸率受O元素含量的影響,，隨著O含量的增加，抗拉強度增加但是延伸率顯著降低,，終產(chǎn)品容易發(fā)生脆性斷裂,，見圖7。

△圖7 不同O含量增材制造鈦合金和純鈦成品力學性能變化：(a)維氏硬度,；(b)抗拉強度,；(c)斷裂伸長率

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