金属3D打印粉末主要参数及测定方法

金属粉末是金属3D打印技术发展的重要基础，尤其是粉床熔融(烧结)增材制造。目前对于金属粉末的研究主要集中在钛合金、不锈钢、镍基高温合金。金属粉末的发展程度一定程度上制约着金属增材制造技术的发展。

本文就金属粉末主要考虑的参数及测定方法进行阐述：

1. 化学元素

对于3D打印用金属粉末纯净度要求很高。除测定主要元素及杂质元素外，对原材料的氧、氮、氢含量也有要求。

测定方法：由于测定方法众多，本文在此以钛合金为例说明：光谱分析仪测定钛合金中Fe、Al、V等元素；以惰性气体熔热传导/红外线原理的氧氮氢分析仪测定材料中氧、氮、氢含量；碳/硫分析仪测定原材料中碳元素含量，以上测定方法可综合使用。另外，还可采用能谱仪及X射线衍射仪定性或半定量对元素成分测定。

2. 颗粒形状

颗粒形状是指粉末颗粒的几何形状。可笼统的划分为规则形状和不规则形状。而颗粒的形状对粉末的流动性、送装密度以及烧结熔融过程的影响很大。通常情况下金属粉床熔融过程要求粉末球形度越高越好。测定颗粒形貌时常用表面形状因子、体积形状因子和比例形状因子。

一般情况下，非球形粉末表面和内部结构疏松，导致打印件内部存在一定的气孔缺陷，而球形粉末在这一方面能较好的改善。

测定方法：颗粒表面积观测设备可用扫描电子显微镜。 

3. 粒径及粒度分布

通常用直径表示颗粒的大小称之为粒径。由于组成粉末的无数颗粒不属于同一粒径，因此需要用不同粒径的颗粒占全部粉末的百分含量来表征粉末颗粒的分布情况。表示不同尺寸的在一定尺寸区间的体积百分比。图1为呈正态分布的粒度分布图形。

3D打印金属粉末粒度≤50mm。但一般工艺过程并非单独使用超细粉而是将细粉与粗粉配比使用，通过细粉填充道粗粉的空隙中，提高熔融/烧结密度，改善打印质量。

粒度分布图形

其中：D10表示小于D10这个值的颗粒占颗粒总数的10%，D50表示小于D50、大于D50这个值的颗粒都占50%，D90就是小于D90这个值的颗粒占颗粒总数的90%。

测定方法：粒度分布常用的测定方法下表所示：

粒度分布常用的测定方法

4. 松装密度

松装密度是粉末试样自然地充满规定容器时，单位容积的粉末质量。一般情况，粉末粒度越粗松装密度越大。粗细搭配的粉末能够获得更高的送装密度。

测定方法：松装密度的测定方法有：漏斗法、斯科特容量计法或震动漏斗法。漏斗法是用容积恒定及标准漏斗，粉末自由通过漏斗孔径到量杯中，直至完全充满量杯并有粉末从量杯溢出为止。利用公式：ρ=m/v，其中m为粉末试样质量；V为量杯容积。

斯科特容量计法

5. 流动性

流动性是指50g粉末从标准的流速漏斗流出所需要的时间，单位为s/50g。其倒数是单位时间流出的粉末的质量称之为流速。流动性是一个与形貌、粒度分布及送装密度相关的综合性参数。一般来说，粉末颗粒越大、颗粒形状越规则、粒度组成中极细的粉末所占的比例小，流动性相对比较好。而颗粒表面吸附水、气体等会降低粉末流动性。

流动性是3D打印技术中关键性能指标之一，直接影响打印过程中铺粉的均匀性和送粉过程的稳定性。与流动性相关的三个测试点：休止角、流出速度和压缩度，休止角是粉体堆积层的自由斜面与水平面所形成的最大角，是粒子在粉体堆积层的自由斜面上滑动时所受重力和粒子间摩擦力达到平衡而处于静止状态下测得。流出速度是将物料加入于漏斗中用测定的全部物料流出所需的时间来描述。压缩度反映了粉体的凝聚性、松软状态，是粉体流动性的重要指标。

测定方法：测定粉末流动性使用两种流量计:霍尔流量计漏斗和卡尼漏斗。

具体测定方法可参照标准：ASTM F3049-14  Characterizing Properties of Metal Powders Used for Additive Manufacturing Processes。