金属3D打印件质量好不好，往往“粉体”说了算

粉末床熔融（Powder Bed Fusion，PBF）增材制造是目前发展最快、应用最广泛的金属增材制造技术，具有成形精度高、力学性能好、构件复杂、成形效率高等优点。目前，粉末床熔融增材制造常用的金属粉包括钛合金、镍基合金、铁基合金、钴铬合金、铝合金、铜合金及钨、钼、钽、铌等难熔金属。

作为原料，金属粉体的品质在很大程度上决定了最终产品的质量。综合来看，粉体的洁净度、形貌和粒径分布等是制约零件成型性能的关键因素。

粉体洁净度

3D打印用金属粉体的化学成分包括金属元素和杂质成分，主要金属元素常用的有Fe、Ti、Ni、Al、Cu、Co、Cr以及贵金属Ag、Au等。杂质成分主要指金属化合物或非金属成分，比如还原铁中的Si、Mn、C、S、P、O等，从原料和粉体生产过程中掺进的机械夹杂，如SiO2、Al2O3、硅酸盐、难溶金属碳化物等酸的不溶物，粉体表面吸附的氧、水汽和其他气体。

在激光或者电子束扫描粉体时，一方面杂质可能会与基体金属发生反应，致使基体金属性质发生改变，影响3D打印成形件的质量；另一方面夹杂物的存在使粉体熔化不均匀，造成最终成形件的内部缺陷。机械夹杂对制件韧度尤其是冲击韧性尤为不利，非金属夹杂的分布状态和形状不同对成形件影响不一。

在含氧量较高的情况下，基体金属在高温下的氧化除了会与基体金属发生反应形成致密的氧化膜影响制件性能以外，还会直接导致球化现象，降低制件的致密度和成形质量。钢中碳、磷、硫、氧、氮几种元素对韧性极为有害。因此，粉体中的杂质成分和夹杂应严格控制在一定范围内，以满足增材制造工艺和零件性能要求。

粉体的形貌

粉体的形貌直接影响松装密度和流动性，进而影响送铺粉过程，对零件的最终性能产生影响。在粉末床熔融增材制造中，铺粉机构将粉体颗粒均匀地铺展在成形区域，良好的流动性是获得均匀平整粉末床的关键。球形和近球形粉体的流动性较好，松装密度高，可获得高的致密度和均匀组织，是粉末床熔融增材制造的首选原料粉体。

但是，如果球形和近球形粉体中存在空心粉和卫星粉，会降低零件的最终性能。空心粉在粒径大于70µm的粉体中占比更高，会导致成形件中存在难以消除的孔隙等缺陷；卫星粉会降低粉体的流动性，并阻碍连续粉末层铺展期间粉体的均匀堆积，进而造成零件缺陷。因此，粉末床熔融增材制造用金属粉体应尽量降低粉体原料中空心粉和卫星粉占比。

粉体的粒径分布

粉体粒度分布是用于表征粉体颗粒体系中粒径大小不同的颗粒组成及变化情况，是用来描述粉体颗粒特征的重要参数。

粉末的粒径大小直接影响增材制造过程的铺粉质量、成形速度、成形精度及组织均匀性。对于不同的工艺，选用的粉体粒度大小有所不同。一般来说，激光选区熔化技术（SLM）选择粒径在15~45µm的粉体，电子束选区熔化技术（SEBM）选择粒径在45~106µm的粉体。

从热力学和动力学的角度来讲，粉体颗粒越小，其比表面积越大，烧结驱动力越大，即小颗粒的粉体有利于零件的成形。但是，粒度过细的粉体会导致粉体的流动性、松装密度、电导率降低，粉体的成型性变差，在打印过程中容易出现球化现象。粉体粒径过粗会降低粉体烧结活性、铺粉均匀性、成型精度等。

因此，根据最终零件的性能要求，对粗细粉体进行适当搭配，提高粉体的松装密度和流动性，有利于粉末床熔融增材制造的进行。研究人员认为，在激光粉末床熔融增材制造工艺通用粒度范围条件下，采用更宽的粒度分布，可以增加小尺寸颗粒对大尺寸颗粒堆积空隙的填充，可以提高粉体在铺粉过程中的粉末床密度。

粉体内聚力

由于激光粉末床熔融增材制造工艺是通过金属粉的逐层铺展和随后的激光熔化结合而成，为了获得更高的成形质量，粉体的内聚力作为一个重要的颗粒特征指标，是影响粉体的铺粉均匀性和成形质量的重要因素之一。除了前述的粉体粒度形貌因素影响之外，粉体的内聚力是另一重要因素。

在制药和食品加工领域，粉体的内聚力对粉体流动性及其他特性的影响有广泛的研究。其中设备施加的机械载荷、颗粒间的相互作用力，如Vander-Waals力、局部化学键、静电力和吸附水分形成毛细力等，均对粉体的内聚力产生影响，从而进一步影响粉体的流动性。

从粉体特征变化对成形质量的影响研究现状来看，粉体粒度、形貌及表面状态的变化影响了粉体的铺粉和成形质量。其中在成形致密度方面，通过合理的粒度分布、更高的球形度和颗粒间内聚力的降低，可以提升粉体的松装密度和铺粉质量，进一步减少了成形试样中孔隙、未熔合缺陷的数量，提升成形致密度。

增材制造用金属粉体产业现状

目前，我国在粉末床熔融增材制造用金属粉体的研发及产业化方面虽取得一定进展，涌现出多家制粉装备和金属粉体生产商，但相比国外，我国在该领域整体起步较晚。相关制粉技术及装备被德、美、英等国垄断，美国卡彭特、GE，英国LPW、山特维克、吉凯恩，瑞典赫格纳斯等欧美企业垄断了增材制造专用钛合金粉60%以上的核心专利。国外对包括球形钛合金粉在内的部分球形金属粉采取限量出口政策，大幅抬高粉体原料价格，并延长供货周期，严重制约了我国粉末床熔融乃至金属增材制造产业的发展。

因此，开发具有我国自主知识产权、增材制造技术专用的金属合金体系（主要包括钛合金、金属间化合物体系等），解决高品质球形粉体的制粉关键技术，实现我国高品质金属合金球形粉体的低成本、批量化生产，不仅具有重大经济效益，更对航空航天、生物医学等战略新兴产业的发展具有重要促进作用。

参考来源：

[1]郭瑜等：粉末床熔融增材制造用金属粉末的研究现状，广州赛隆增材制造有限责任公司

[2]张鹏：粉末特征对激光粉末床熔融GH3230合金成形质量的影响研究，钢铁研究总院

[3]程玉婉等：金属3D打印技术及其专用粉末特征与应用，华南理工大学国家金属材料近净成形工程技术研究中心

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