一、 SLM专用粉末定义

目前，3D打印行业仍未有定义SLM专用粉末的标准颁布。根据国内外业界知名专家的研究表明，可通过如下定义SLM专用粉末的特性指标，即具有一定规格尺寸的金属颗粒群，化学成分符合同类材质国家军用标准、国家标准、行业标准，粉末形貌球形最佳，具有良好的流动性，较高的松装密度，较低的空心粉率，较低的氧含量，较少的夹杂物（纯净度高）等特性。一般情况下，可以通过粉末的SEM照片初步判断该粉末是否符合SLM增材制造技术的要求。图1即为一种理想的适用于SLM增材制造技术的粉末SEM示意图。

图1  理想的适用于SLM增材制造技术的粉末SEM示意图

二、 粉末特性检测方法及其对SLM工艺的影响

 1.  粉末粒度及粒度分布

一般情况下，采用激光粒度仪以及筛网筛分法进行粉末粒度及粒度分布测试，测试方法按照GB/T 19077.1-2008 《粒度分析激光衍射法 第1部分：通则》、GB T 1480-1995 《金属粉末粒度组成的测定干筛分法》、GB/T 6003.1-2012 《试验筛技术要求和检验 第1部分：金属丝编织网试验筛》、GB/T5329-2003《试验筛与筛分试验术语》的规定进行。

通常，适用于SLM工艺的粉末粒度范围为15～53μm，特殊情况下可以适当放宽至20～60μm，但是使用较粗的粉末会降低打印制品的力学性能和表面光洁度（表1）。

表1    15～53 μm与20～60 μm钴铬钼粉末得到的性能对比

此外，采用粒度分布集中、颗粒大小基本一致的粉末可以减少打印过程中的球化、团聚现象，表面光洁度更高，且打印的一致性与均匀性可以得到充分保障。

2. 化学成分

现阶段，金属3D打印粉体材料的化学成分以相应的ASTM或传统合金的国标来执行。如钴铬钼粉末成分执行美国ASTM F75 《外科植入物用钴铬钼合金铸件及铸造合金标准规范》、GB 17100-1997 《外科植入物用铸造钴铬钼合金》；钛合金粉末成执行GB/T3620.1-2007《钛及钛合金牌号和化学成分》、GB/T 3620.2-2007《钛及钛合金加工产品化学成分允许偏差》；铸造铝合金粉末成分执行GB/T 1173-2013《铸造铝合金》、变形铝合金粉末成分执行GB/T 3190-2008《变形铝及铝合金化学成分》；不锈钢粉末成分执行GB/T1220-2007《不锈钢棒》；高温合金粉末成分执行GB/T14992-2005 《高温合金牌号》等。

粉末化学成分采用ICP进行测定，针对不同合金成分各检测单位执行的是内部的企业标准，可参考GB/T 223.5-2008《钢铁及合金化学分析方法 还原型硅钼酸盐光度法测定酸溶硅含量》、GB/T 223.11-2008 《钢铁及合金 铬含量的测定 可视滴定或电位滴定法》；碳（C）、硫（S）元素的检测采用红外碳硫分析仪进行测定，执行GB/T20123-2006 《钢铁 总碳硫含量的测定 高频感应炉燃烧后红外吸收法（常规方法）》；氧（O）、氮（N）元素的检测采用氧氮氢联测仪进行测定，其中氧元素检测执行GB/T11261-2006《钢铁氧含量的测定脉冲加热惰气熔融-红外线吸收法》、氮元素检测执行GB/T20124-2006《钢铁 氮含量的测定 惰性气体熔融热导法(常规方法)》。

一般地，金属3D打印粉末的主要化学成分及杂质元素C、S、N、O满足相应牌号标准规定的范围，则认为该粉末化学成分合格；粉末氧含量低、表面活性小、润湿性好、少/无球化现象、熔化效果好，且粉末的可循环次数也明显提升，因此特殊粉末如高温合金、钛合金、铝合金等，一般规定氧增量不超过母合金氧含量的50～150ppm，如钛合金实际要求氧含量低于1 300ppm、高温合金实际要求氧含量低于80ppm、铝合金，不锈钢实际要求氧含量低于500ppm。

3.球形度/球形率

粉末球形度定义为颗粒的周长等效直径与颗粒面积等效直径的比。测试方法为采用扫描电子显微镜观察，按照JY/T 010-1996《分析型扫描电子显微镜方法通则》进行：利用专用软件，快速分割SEM图像中明暗区域，并对SEM图中的颗粒进行快速划分，剔除拍摄不完整的颗粒，对完整颗粒的周长和面积进行当量直径计算，根据公式快速得出颗粒球形度数值。

粉末球形率定义为球形粉末占总粉末的比率。测试方法为采用光学显微镜及扫描电子显微镜观察，按照JY/T 010-1996《分析型扫描电子显微镜方法通则》进行：任意抽取一定数量粒度在规定范围内的粉末，分筛并称取10 g大于150目的粉粒，然后用显微镜对此部分粉粒逐一观察检验，将纵横比大于2的非球形粉粒分离出来并称重，据此计算球形粉粒及纵横比大于2的非球形粉粒的质量百分比。

球形度/球形率的大小直接影响了颗粒的流动性和堆积性能，尤其在SLM工艺中将直接影响其铺粉性能。故用于SLM工艺的粉末要求球形度达到0.92以上，纵横比大于2的片状、条状、椭圆状、哑铃状及葱头状等非球形粉末粒的比例和质量百分比不超过3%（球形率达到97%以上）。粉末球形度/球形率高，铺粉更加均匀，打印构件的致密度得到提高，如图2所示。

图2  打印过程中的球化、团聚现象

4. 流动性

粉末流动性采用霍尔流量计进行测试，按照GB/T 1482-1984 《金属粉末流动性的测定 标准漏斗法(霍尔流速计)》标准执行：称取50g样粉，堵住漏斗底部小孔，把称好的样粉倒入漏斗中，开启漏斗小孔时开始计时，样粉漏完后记录所需要的时间，同一样品测量3次，最终以XXs/50g（均值）表示该粉末的流动性。SLM对不同合金粉末的流动性要求不同，具体见表2所示。

表2  SLM对不同合金粉末流动性的要求

当然，有没有流动性不能作为评判粉末适用于SLM的唯一标准。经过研究发现，某些气雾化的粉末，尤其是铝合金没有流动性，但是却能够满足SLM的铺粉要求(图3)，还能打印出较为理想的构件。因此，评判粉末能否适用于SLM工艺，还需考察一个粉末参数——休止角。图4所示为没有流动性的铝合金粉末SEM图片示意图，但是能够满足SLM工艺要求。

图4   无流动性铝合金SEM示意图

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，是检验粉体流动性的好坏的最简便的方法。休止角大小直接反映粉体的流动，休止角越小，粉体的流动性越好。经过研究测试表面，粉末休止角≤35°，才能保证粉末能够适用于SLM工艺（如图4）。

图4   休止角测试过程示意图

5. 松装密度/振实密度

松装密度是指粉体在特定容器中处于自然充满状态后的密度。采用霍尔流量计进行测试，按照GB/T 1479.1-2011《金属粉末松装密度的测定 第1部分 漏斗法》标准执行：将粉末倒入孔径为2.5mm的漏斗使粉末自然流下，直至特定容器完全被粉末充满且溢出；用非磁刮刀片刮平粉末，测量质量；最后通过计算公式ρac=m/V=m/25，得出粉末松装密度。振实密度是指一定质量（或体积）的粉体装填在特定容器后，对容器进行一定强度的振动，从而破坏粉体颗粒间的空隙，使颗粒处于紧密状态。这时的粉体密度叫振实密度。粉末振实密度按照GB/T 21354-2008 《粉末产品振实密度测定通用方法》、GB/T 5162-2006 《金属粉末振实密度的测定》标准执行。

经研究发现，粉末的松装密度、振实密度越高，成形构件的致密度也也高。一般认为，粉末的松装密度大于其致密材料的55%以上、振实密度大于其致密材料的62%以上，才能保证成形构件≥98%。

6. 空心粉率

采用光学金相显微镜观察方法。任意抽取5～15 g粉末与环氧树脂搅拌均匀，固化制成30 mm × 50 mm平板状金相试样，按照普通金相试样制备方法粗磨掉表面1 mm不均匀层，然后用水砂纸细磨至1 500#，抛光，不经腐蚀置于光学显微镜下观察，视野内粉粒总数不少于100个，测量孔洞直径与粉末直径比值大于0.15的空心粉的数目。取3个视野内空心粉数目的平均值作为最终测量值。

研究表明，适用于SLM工艺的粉末要求含有卷入性气体的空心粉的比例不大于1%。空心粉一般存在于气雾化制粉过程中：高速氩气（Ar）气流对熔体的冲击分散易在粉末颗粒内部形成闭合孔隙，该闭孔内含有一定量的Ar气体，Ar气通常不熔于金属，在3D打印过程中不易消除，形成气隙、卷入性和析出性气孔、裂纹等缺陷，即使采用热等静压也无法消除该类缺陷，在随后热处理过程中易发生热诱导孔隙长大。而采用等离子旋转雾化(PREP)法制得的实心粉末，粉末球形度更高、流动性更好、气体体积分数低，能够有效避免上述缺陷。采用气雾化法制得的空心粉末导致打印过程中出现的缺陷如图5所示。

图5   空心粉示意图

7. 夹杂物

通过目视、体视显微镜和扫描电镜进行检查。取待测粉末100 g，放入直径为50～100 mm的玻璃器皿中（可分批放入，以单层平铺为原则），首先通过目视直系检查，然后分别用体视显微镜、扫描电镜仔细对样品粉末夹杂进行检查（如图6所示）。

图6  粉末中的陶瓷夹杂示意图

采用含有非金属夹杂的粉末进行3D打印，一方面构件的致密度会大幅降低，另一方面构件内部组织将弥散大量的非金属夹杂相，最终影响构件的疲劳性能，如图7所示。一般3D打印要求制粉过程中不得引入任何无机非金属夹杂物、异质金属、污染物及其他有害的外来物质。粉末中的夹杂物数量每100 g不得多于2个，夹杂物尺寸不大于35 μm。

图7   3D打印构件内部出现的陶瓷夹杂

三、 结语

金属3D打印技术，尤其是SLM技术对原料粉末的性能要求较高，国内大部分自主生产的粉末难以满足SLM的使用要求，只能依靠进口，价格高昂，造成SLM技术的大范围普及还难以实现。原料粉末已经成为制约SLM技术发展的关键技术瓶颈。本文在原料粉末制备及SLM工艺的大量研究基础上，提出了选取SLM原料粉末的参考依据：

①适用于SLM工艺的粉末粒度范围可以放宽至20～60μm，粉末粒度分布尽量窄，粉末颗粒大小基本一致；

②主要化学成分及杂质元素C、S、N、O满足相应牌号标准规定的范围，粉末氧增量不高于母合金的0.01%；

③球形度达到0.92以上，纵横比大于2的片状、条状、椭圆状、哑铃状及葱头状等非球形粉末粒的比例和质量百分比不超过3%；

④粉末具备流动性，但是有无流动性不能作为粉末是否适用于SLM工艺的唯一判据。无流动性的粉末可通过休止角测定进行粉末是否满足铺粉要求的判定，一般要求休止角≤35°；

⑤要求粉末的松装密度大于其致密材料的55%以上、振实密度大于其致密材料的62%以上；

⑥适用于SLM工艺的粉末要求含有卷入性气体的空心粉的比例不大于1%；

⑦制粉过程中不得引入任何无机非金属夹杂物、异质金属、污染物及其他有害的外来物质。粉末中的夹杂物数量每100g不得多于2个，夹杂物尺寸不大于35μm。

文/李礼    戴煜

1. 湖南顶立科技有限公司

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