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金屬3D打印

金屬3D打印技術(shù)作為整個(gè)3D打印體系中最為前沿和最具潛力的技術(shù)，是先進(jìn)制造技術(shù)的重要發(fā)展防線。隨著科技發(fā)展及推廣應(yīng)用的需求，利用快速直接成型制造金屬功能零件成為了快速成型主要的發(fā)展方向。而對(duì)于工業(yè)級(jí)金屬3D打印領(lǐng)域，粉末耗材仍是制約該技術(shù)規(guī)?；瘧?yīng)用的重要因素之一，這是由于用于增材制造的粉末具有不同于傳統(tǒng)粉末所需要的粉末特性，不僅要求粉末純度高、雜質(zhì)含量低，還必須滿足粉末粒徑細(xì)小、球形度高、流動(dòng)性好和松裝密度高等要求。

目前，國(guó)內(nèi)尚未制訂出金屬3D打印用材料標(biāo)準(zhǔn)、工藝規(guī)范、零件性能標(biāo)準(zhǔn)等行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)或國(guó)標(biāo)，在業(yè)內(nèi)評(píng)價(jià)金屬粉末時(shí)，通常將化學(xué)成分、粒度分布作為常用指標(biāo)，球形度、流動(dòng)性、松裝密度可作為檢測(cè)指標(biāo)。

本文主要來(lái)闡述化學(xué)元素分析、粒度分布及球形度這幾個(gè)3D打印金屬粉末性能評(píng)價(jià)檢測(cè)項(xiàng)目。

項(xiàng)目一：化學(xué)元素分析

1. 3D打印金屬材料中最重要的指標(biāo)當(dāng)然就是化學(xué)成分定性、定量分析。

所以，對(duì)于金屬原材料及最終的粉末成品，為了監(jiān)測(cè)樣品的純度等品質(zhì)，都需要進(jìn)行成分及含量檢測(cè)。

2. 3D打印用金屬粉末對(duì)純凈度要求也很高，除測(cè)定主要元素及雜質(zhì)元素外，氧、氮、氫含量也有要求。

金屬3D打印過(guò)程中，金屬重熔時(shí)，元素以液體形態(tài)存在，或者可能存在易揮發(fā)元素的揮發(fā)損失，且粉末存在衛(wèi)星球、空心粉等形態(tài)問(wèn)題，因此有可能在局部生成氣孔缺陷，或者造成打印后的零部件的成分異于原始粉末或者母合金的成分，從而影響到工件的致密性及其力學(xué)性能。

另外，由于目前3D打印金屬粉末制備技術(shù)主要以霧化法為主（包括超音速真空氣體霧化和旋轉(zhuǎn)電極霧化等技術(shù)），粉末存在大的比表面積，容易產(chǎn)生氧化。

因此，對(duì)不同體系的金屬粉末，氧含量均為一項(xiàng)重要指標(biāo)，對(duì)于普通的金屬粉末，如不銹鋼，含氧量要求在800-900ppm以下，對(duì)于活潑金屬，如鈦合金，一般要求在1300-1500ppm，在航空航天等特殊應(yīng)用領(lǐng)域，客戶對(duì)此指標(biāo)的要求更為嚴(yán)格。此外，部分客戶也要求控制氮含量，一般要求在500ppm以下。

項(xiàng)目二：粒度分布

金屬3D打印常用的粉末粒度范圍是15-53μm（細(xì)粉），53-105μm（粗粉），部分場(chǎng)合下可放寬至105-150μm（粗粉）。

目前市場(chǎng)上主流SLM 成形設(shè)備要求的鋪粉層厚是20-50μm。而GBT1480-2012《金屬粉末干篩分法測(cè)定粒度》適用于大于45微米的粉末顆粒，所以已不太能滿足金屬3D打印粉末粒度測(cè)試要求。

更多粒度測(cè)量方法詳情介紹請(qǐng)參考：常用粒度測(cè)量方法與激光粒度分析儀的基本原理

項(xiàng)目三：球形度

SLM 成形專用金屬粉末是通過(guò)氣霧化法制備得到的，顆粒一般呈球狀，但也會(huì)出現(xiàn)形狀不規(guī)則的顆粒，顆粒球形度直接影響粉末的流動(dòng)性和松裝密度。

目前球形度的常規(guī)測(cè)定方法是用電鏡來(lái)觀察，但電鏡過(guò)于耗時(shí)，一次檢測(cè)量也只有幾百個(gè)顆粒，不具有代表性，而且電鏡法沒(méi)有量化檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)，所以電鏡法不能作為質(zhì)量監(jiān)測(cè)手段，而動(dòng)態(tài)圖像法很好的解決了這些問(wèn)題。

總結(jié)

隨著增材制造的快速發(fā)展，原材料質(zhì)量監(jiān)控環(huán)節(jié)及其原材料檢測(cè)技術(shù)也需要加快發(fā)展，才能為整個(gè)制造過(guò)程把好關(guān)。

其中，元素分析和粒度粒形檢測(cè)是重要環(huán)節(jié)。檢測(cè)元素濃度的方法有很多，為了使所有待檢測(cè)的元素釋放出來(lái)，大多數(shù)方法需要進(jìn)行樣品前處理，而采用燃燒或熔融法，樣品則可以直接進(jìn)樣測(cè)量，不需要進(jìn)行前處理，方法簡(jiǎn)單可靠。