什么是3D打印金屬粉末?顆粒形狀、粒度及其分布對3D打印的影響。

什么是3D 打印用金屬末?

屬零件 3D 打印技術作為整個 3D 打印體系中前沿和潛力技術,是先進制造技術的重要發展方向。3D 打印用金屬粉末作為金屬零件 3D 打印產業鏈重要的一環,也是價值所在。 下面就3D打印用金屬粉末進行詳細介紹。


在“2013 年世界 3D 打印技術產業大會”上,世界 3D 打印行業的權威專家對 3D 打印用金屬粉末給予明確定義,即指尺寸小于 1mm 的金屬顆粒群。 包括單一金屬粉末、合金粉末以及具有金屬性質的某些難熔化合物粉末。目前,3D 打印用金屬粉末材料包括鈷鉻合金、青合金、工業、不銹鋼、合金和鎳鋁合金等。但是 3D 打印用金屬粉末除需具備良好的可塑性外,還必須滿足粉末粒徑細小、粒度分布較窄、球形度高、流動性好和松裝密度高等要求。下面對金屬粉末顆粒形狀、粒度及其分布對于3D打印產品質量的影響作詳細介紹。


 金屬粉末顆粒形狀、粒度及其分布對3D打印成品的影響

顆粒形狀:在金屬粉末制備過程中,粉末顆粒會隨著制備方法的不同而呈現不同形狀,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性、松裝密度,進而對所制備金屬零件的性能產生影響。

一般來說,球形或者近球形粉末具有良好的流動性,在打印過程中不易堵塞供粉系統,能鋪成薄層,進而提高 3D 打印零件的尺寸精度、表面質量,以及零件的密度和組織均勻性,是作為 3D 打印的原料形狀類型。但是要注意,球形粉末的顆粒堆積密度小,空隙大,使得零件的致密度小,也會影響成形質量。

3D打印用金屬粉末的制備技術的發展制約著 3D 打印金屬零件行業的發展。 3D 打印用金屬粉末低成本制備技術的突破成為國內外研究人員亟需攻克的難題。近年來,國內外企業在 3D 打印金屬粉末制備領域投入了大量的資金和技術力量,都取得了一定的進展。下面為兩種金屬粉末,用飛納臺式掃描電鏡對比兩種粉末的微觀形貌,可知金屬粉末A要優于金屬粉末B。金屬粉末A基本上為飽滿的球狀顆粒,幾乎沒有粘接在一塊的。而金屬粉末B各種形狀都有,球狀、桿狀以及不規則的形狀等,有些粉末顆粒粘在一起,形成所謂的“衛星粉”。

金屬粉末A

                                                              


金屬粉末B

                                                                


粉末粒度及其分布:

一般來說,金屬粉末的粒度越小,越有利于燒結的順利進行,因為粒度越小,比表面積越大,燒結的驅動力也就越大。此外,細小的粉末顆粒之間的空隙小,相鄰鋪粉層之間連接緊密,有利于提高燒結致密化和燒結強度。小顆粒的金屬粉末還可以填充到大顆粒的空隙中,能夠提高粉末的堆積密度,從而有利于提高打印的金屬零件的表面質量和強度。但是,并不是顆粒越細越好,如果細顆粒過多,在燒結過程中容易出現“球化”現象,易造成鋪粉厚度不均勻。所謂的“球化”現象,就是為使熔化的金屬液表面與周圍介質表面構成的體系具有小的自由能,在表面張力的作用下,金屬液表面形狀向球形表面轉變的一種現象。“球化”通常會使金屬粉末熔化后無法凝固形成連續平滑的溶池,因而形成的零件疏松多孔,致使成型失敗。

3D 打印用金屬粉末粒度的選取根據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。當金屬粉末的大顆粒和小顆粒以恰當的比例混合,才能得到高質量的 3D 打印金屬產品。

依據上面的介紹,我們可以知道對于金屬粉末的粒度及其分布的檢測相當重要。目前對于這類金屬粉末的粒度及其分布的檢測的手段一般采用激光粒度儀。小編給大家介紹一種新的方法,利用掃描電鏡(SEM)的一些拓展軟件,也可以很好地進行檢測。而且,小編覺得,SEM 的這種手段測量結果更加準確。下面是利用飛納臺式掃描電鏡顆粒統計分析測量系統對國內某個廠家的金屬粉末進行檢測,羅列了其中幾個圖。 SEM 的顆粒統計系統,不僅可以得到粉末的圓度、長直比、顆粒尺寸及分布等結果,還可以實時得到所檢測區域的形貌圖和對應顆粒的識別情況,并對顆粒識別不對的地方進行手動剔除。從下面的顆粒識別圖片可以看出,顆粒統計系統對于顆粒的識別是相當準確的。有趣的是,我們可以從圓度-長徑比散點圖中,非常直觀地看到這批粉末到底圓不圓,其中每個點代表一個顆粒,圓度的值越接近于 1 越圓。

BSE圖片顆粒識別圖片顆粒直徑分布圖顆粒圓度、長涇分散點圖

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