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魔猴君 知識(shí)堂 1982天前
金屬3D打印粉末技術(shù)指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)是如何定義的3D打印作為一種新興的制造技術(shù),近年來(lái)發(fā)展迅速。然而,對(duì)于工業(yè)級(jí)金屬3D打印領(lǐng)域,粉末耗材仍是制約該技術(shù)規(guī)?;瘧?yīng)用的重要因素之一。
目前,認(rèn)為國(guó)內(nèi)尚未制訂出金屬3D打印材料標(biāo)準(zhǔn)、工藝規(guī)范、零件性能標(biāo)準(zhǔn)等行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)或國(guó)標(biāo)。業(yè)內(nèi)對(duì)于金屬粉末的評(píng)價(jià)指標(biāo),主要有化學(xué)成分、粒度分布、粉末的球形度、流動(dòng)性、松裝密度。其中,化學(xué)成分、粒度分布是金屬3D打印領(lǐng)域用于評(píng)價(jià)金屬粉末質(zhì)量的常用指標(biāo),球形度、流動(dòng)性、松裝密度可作為評(píng)價(jià)質(zhì)量的參考指標(biāo)。下面由帶你進(jìn)入打印粉末指標(biāo)的世界。
1、化學(xué)成分:金屬粉末中各元素實(shí)際所占的質(zhì)量百分比(wt. %)。以上表為例,在該合金中Al元素的檢測(cè)數(shù)據(jù)為6.25,表示Al元素在該合金所占的質(zhì)量百分比為6.25%,其它元素質(zhì)量百分比可以此類(lèi)推。目前,金屬化學(xué)成分檢測(cè)應(yīng)用最廣的方法是化學(xué)分析法和光譜分析法?;瘜W(xué)分析法是利用化學(xué)反應(yīng)來(lái)確定金屬的組成成分,可以實(shí)現(xiàn)金屬化學(xué)成分的定性分析和定量分析;光譜分析法是利用金屬中各種元素在高溫、高能量的激發(fā)下產(chǎn)生的自己特有的特征光譜來(lái)確定金屬的化學(xué)成分及大致含量,一般用于金屬化學(xué)成分的定性分析。以上兩種方法都要使用專(zhuān)業(yè)的檢測(cè)設(shè)備,由專(zhuān)業(yè)的檢測(cè)機(jī)構(gòu)的人員完成。大部分鑄態(tài)、鍛造的金屬的化學(xué)成分都有相應(yīng)的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)或國(guó)標(biāo),以評(píng)價(jià)該金屬的化學(xué)成分指標(biāo)是否合格。
然而,用于金屬3D打印的粉末技術(shù)新穎,業(yè)內(nèi)尚無(wú)相應(yīng)的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)或國(guó)標(biāo),業(yè)內(nèi)通常認(rèn)可的評(píng)價(jià)方法是沿用該金屬粉末對(duì)應(yīng)的鑄態(tài)標(biāo)準(zhǔn),或在該標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上雙方協(xié)商放寬指標(biāo)要求。對(duì)于金屬3D打印而言,因?yàn)榇蛴∵^(guò)程中金屬重熔后,元素以氣體形態(tài)存在,有可能在局部生成氣眼等缺陷,影響工件致密性及力學(xué)性能。所以,對(duì)不同體系的金屬粉末,氧含量均為一項(xiàng)重要指標(biāo),業(yè)內(nèi)對(duì)該指標(biāo)的一般要求在1500ppm以下,也即氧元素在金屬中所占的質(zhì)量百分比在0.13~0.15%之間,航空航天等特殊應(yīng)用領(lǐng)域,客戶(hù)對(duì)此指標(biāo)的要求更為嚴(yán)格。部分客戶(hù)也要求控制氮含量指標(biāo),一般要求在500ppm以下,也即氮元素在金屬中所占的質(zhì)量百分比在0.05%以下。
2、粒度分布:不同尺寸的金屬粉末顆粒的在一定尺寸區(qū)間內(nèi)所占的體積百分比的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù),此數(shù)據(jù)呈正態(tài)分布。以上圖為例,金屬粉末顆粒粒度分布結(jié)果中,d(10)=17.290μm,代表尺寸小于17.290μm的粉末體積所占比例不低于10%。以此可知,該粉末中,尺寸小于33.478μm的粉末比例不低于50%,小于57.663μm的粉末比例不低于90%。金屬粉末的粒度分布可以通過(guò)激光粒度分析儀分析。
金屬3D打印常用的粉末的粒度范圍是15~53μm(細(xì)粉),53~105μm(粗粉)。此粒度范圍是根據(jù)不同的能量源的金屬打印機(jī)劃分的,以激光作為能量源的打印機(jī),因其聚焦光斑精細(xì),較易熔化細(xì)粉,適合使用15~53μm的粉末作為耗材,因?yàn)榇肆6确秶鷥?nèi)的粉末既有良好的流動(dòng)性,又較易容化,粉末補(bǔ)給方式為逐層鋪粉;以等離子束作為能量源的打印機(jī),聚焦光斑略粗,更適于熔化粗粉,適合使用53~105μm的粉末作為耗材,粉末補(bǔ)給方式為同軸送粉。
3、球形度、松裝密度、流動(dòng)性等參考指標(biāo)球形度也就是金屬粉末顆粒接近球體的程度,一般通過(guò)掃描電子顯微鏡(SEM)定性的分析。
上圖為不同金屬粉末的SEM形態(tài)照片,可以看出,左圖粉末顆粒的球形度要優(yōu)于右圖粉末。一般而言,球形度佳,粉末顆粒的流動(dòng)性也比較好,在金屬3D打印時(shí)鋪粉及送粉更容易進(jìn)行。流動(dòng)性是指以一定量金屬粉末顆粒流過(guò)規(guī)定孔徑的量具所需要的時(shí)間,通常采用的單位為s/50g,可以通過(guò)霍爾流速計(jì)測(cè)量,數(shù)值愈小說(shuō)明該粉末的流動(dòng)性愈好。
流動(dòng)性也可以用休止角表征,休止角指在重力場(chǎng)中,顆粒在金屬粉末堆積層的自由斜面上滑動(dòng)時(shí)所受重力和粒子之間摩擦力達(dá)到平衡而處于靜止?fàn)顟B(tài)下測(cè)得的最大角。這是一種檢驗(yàn)金屬粉末流動(dòng)性的簡(jiǎn)易方法,休止角越小,摩擦力越小,流動(dòng)性越好,越有利于鋪粉及送粉的進(jìn)行。松裝密度是直接鋪粉得到的金屬粉末在一定體積內(nèi)的質(zhì)量,可以通過(guò)漏斗法測(cè)量。松裝密度僅作為參考指標(biāo),表征粉末在補(bǔ)給過(guò)程中堆垛密實(shí)程度,其對(duì)于金屬打印的終產(chǎn)品的密度影響并不確定。