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3D打印用金屬粉末是金屬零件3D打印產(chǎn)業(yè)鏈的最重要一環(huán)，也是最大的價(jià)值所在。在2013 年世界3D打印技術(shù)產(chǎn)業(yè)大會(huì)上，世界3D打印行業(yè)的權(quán)威專家對(duì)3D打印金屬粉末給予明確定義：即指尺寸小于1 mm的金屬顆粒群，包括純金屬粉末、合金粉末以及具有金屬性質(zhì)的某些難熔化合物粉末。

目前3D打印金屬粉末材料包括鈦合金、鈷鉻合金、不銹鋼、工具鋼、青銅合金和鋁合金等。3D打印用金屬粉末除需具備良好的可塑性外，還必須滿足粉末純度高、粉末粒徑細(xì)小、粒度分布窄、球形度高、流動(dòng)性好和松裝密度高等要求。頒布于 2014 年6月的ASTM F3049-14 標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定了3D打印用金屬粉末性能研究的范圍和表征方法。綜合來說，3D打印用金屬粉末對(duì)粉末特性有幾個(gè)方面的基本要求，包括：粉末純度、粉末顆粒形狀、粉末粒度及其分布、粉末的循環(huán)使用等。

1 粉末純度

在金屬粉末的制備過程中，由于制粉工藝的缺陷，會(huì)帶入一些雜質(zhì)。這些雜質(zhì)的存在會(huì)改變所制備零件的特性甚至致使打印無法進(jìn)行。金屬粉末的純凈度直接影響到3D打印的成形質(zhì)量。一般來說，粉末中的夾雜物會(huì)提高顆粒硬度，降低粉末成形性能，對(duì)材料韌性造成不良影響。夾雜物在粉末中的分布狀態(tài)以及夾雜物本身的形狀對(duì)零件的力學(xué)性能影響機(jī)制不同，在SLM和EBSM工藝中，若粉末中含有雜質(zhì)，則在燒結(jié)成形過程中雜質(zhì)可能會(huì)與基體金屬粉末發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，使得3D打印無法進(jìn)行或者改變成形零件的屬性。比如：研究發(fā)現(xiàn)，Ti-6Al-4V合金粉末在熱力學(xué)方面不穩(wěn)定，在制備過程中容易吸附N、O、H等雜質(zhì)元素。其中O在Ti合金中有很高的溶解度，能形成間隙固溶相，使得Ti 晶格嚴(yán)重扭曲，強(qiáng)度硬度提高，塑性韌性下降；N與Ti 在高溫下形成脆硬的TiN，對(duì)Ti 合金的塑性影響很大；由于H的存在，析出的TiH2相也會(huì)使得Ti合金塑性韌性降低。因此，必須嚴(yán)格控制3D打印成形氣氛中雜質(zhì)元素的含量，以滿足3D打印工藝的要求和成形件的力學(xué)性能要求。但是，在選區(qū)激光燒結(jié)（SLS）中，若對(duì)Al2O3陶瓷粉末進(jìn)行燒結(jié)，則純度越高對(duì)應(yīng)燒結(jié)溫度越高，可能會(huì)使燒結(jié)變得困難。Al2O3中的雜質(zhì)實(shí)際上間接起到了活化劑的作用，適當(dāng)?shù)碾s質(zhì)反而有利于燒結(jié)。

2 粉末顆粒形狀

在金屬粉末制備過程中，粉末顆粒會(huì)隨著制備方法的不同而呈現(xiàn)不同形狀，如球形、近球形、多角形、多孔海綿狀、樹枝狀等。粉末的顆粒形狀直接影響到粉末的流動(dòng)性、松裝密度，進(jìn)而對(duì)所制備金屬零件的性能產(chǎn)生影響。在LENS成形過程中，粉末顆粒由載粉氣流輸送進(jìn)入激光熔池。連續(xù)穩(wěn)定的輸送需要流動(dòng)性良好的粉末，才能保證成形零件的均勻致密。在SLM和EBSM工藝中，粉末顆粒首先在鋪粉機(jī)構(gòu)的作用下鋪展成粉末層，粉末良好的流動(dòng)性對(duì)獲得均勻平整的粉末層至關(guān)重要。一般來說，球形或者近球形粉末具有良好的流動(dòng)性，在打印過程中不易堵塞供粉系統(tǒng)，能鋪成薄層，進(jìn)而提高3D打印零件的尺寸精度、表面質(zhì)量，以及零件的密度和組織均勻性，是作為3D打印的首選原料形狀類型。但是，球形粉末的顆粒堆積密度小，空隙大，使得零件的致密度小，也會(huì)影響成形質(zhì)量。

近年來，國(guó)內(nèi)外制粉公司在3D打印金屬粉末制備領(lǐng)域投入了大量的資金和技術(shù)力量，取得了很大的進(jìn)展。圖1 為加拿大某公司運(yùn)用等離子霧化工藝制備的TC4粉末產(chǎn)品，該粉末球形度高、粒度分布均勻，粒徑為15～45 μm，D50 為33 μm，成形性能優(yōu)異。圖2 為該公司制備出的粒徑為5.0～25.0 μm、球形度良好的純Ti 粉，D50 為14.3 μm，振實(shí)密度為2.81 g/cm3。該公司于2015 年11 月16 日申請(qǐng)了一個(gè)具有戰(zhàn)略意義的專利，主要涉及如何更好地解決粉末流動(dòng)性問題。該專利的發(fā)明能使其生產(chǎn)出具備最高級(jí)別流動(dòng)性，且適用于所有3D打印的金屬精細(xì)球形粉末；同時(shí)該專利還涉及所有主要活性金屬粉末的生產(chǎn)方法，包括等離子霧化工藝、其他氣體霧化工藝、等離子球化工藝和等離子旋轉(zhuǎn)電極法等。

3 粉末粒度及其分布

粉末粒度的大小直接影響到鋪粉層的厚度，一般來說，鋪粉層厚度為 50～100 μm。要想鋪出均勻密實(shí)的粉層，鋪粉層厚度必須是粉末顆粒直徑的兩倍以上。3D打印用金屬粉末粒度的選取根據(jù)熱源的不同也有所不同，一般來說，激光成形的粉末粒度在30～50 μm，而電子束成形的粉末粒度在50～90 μm。

從理論上來講，粉末粒度越小，比表面積越大，進(jìn)而使得燒結(jié)驅(qū)動(dòng)力增大。因此，粒度小的粉末有利于燒結(jié)的順利進(jìn)行；此外，細(xì)小的粉末顆粒之間空隙小，相鄰兩鋪粉層之間連接緊密，有利于提高燒結(jié)致密化和燒結(jié)強(qiáng)度。細(xì)顆粒填充到大顆粒的空隙中，提高了粉末的堆積密度，以及打印零件的強(qiáng)度和表面質(zhì)量。但是，如果細(xì)顆粒過多，易造成鋪粉厚度不均勻，在燒結(jié)過程中容易出現(xiàn)“球化”現(xiàn)象。

實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，在激光凈成形技術(shù)中，粉末粒徑過大時(shí)，噴嘴處粉末輸送流的發(fā)散角顯著增大，反彈飛濺嚴(yán)重，且粉末利用率降低；此外，粒徑過小的超細(xì)粉由于直徑太小，粉末容易團(tuán)聚，導(dǎo)致輸送性能差，影響 3D 打印的持續(xù)進(jìn)行。大量實(shí)驗(yàn)表明，粗細(xì)粉末顆粒以恰當(dāng)?shù)呐浔然旌?，才能得到良好?3D 打印效果。

4 粉末的循環(huán)使用

在現(xiàn)有3D打印用粉末制備技術(shù)水平下，微細(xì)粉的制備成本較高，其價(jià)格約是傳統(tǒng)粉末冶金用粉的 10 倍。因此，從節(jié)約原材料、降低生產(chǎn)成本的角度來說，粉末循環(huán)使用的研究具有重要的意義。湯慧萍等對(duì)粉末循環(huán)使用次數(shù)對(duì)EBSM 成形 Ti-6Al-4V合金性能的影響進(jìn)行了系統(tǒng)的研究，研究表明，粉末床中未熔化的粉末顆粒仍然可以作為原料

粉末繼續(xù)使用，經(jīng)過 21 次的循環(huán)使用后，粉末氧含量從 0.08%上升至 0.19%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)），Al 和 V的含量發(fā)生不同程度的下降，但是仍然滿足 Ti-6Al-4V 的合金成分要求；研究還發(fā)現(xiàn)，隨著使用次數(shù)的增加，粉末球形度下降，粉末表面變得更為粗糙；粉末粒度分布變窄，并且由于衛(wèi)星粉數(shù)量的減少，粉末的流動(dòng)性變得更好。

5 粉末的其他性能

在EBSM工藝中，粉末形貌以及導(dǎo)電性能對(duì)成形過程的穩(wěn)定實(shí)現(xiàn)具有重要的影響。研究發(fā)現(xiàn)，在EBSM成形過程中，電子束轟擊導(dǎo)致球形粉末偏離原來位置，或者電子束轟擊使得金屬粉末帶電，成形艙內(nèi)出現(xiàn)類似“沙塵暴”現(xiàn)象，從而導(dǎo)致零件缺陷或者無法進(jìn)行后續(xù)打印工作。

來源：覃思思，余勇，曾歸余，等. 3D打印用金屬粉末的制備研究[J]. 粉末冶金工業(yè)，2016，26（5）：21.