金屬3D打印

金屬3D打印技術作為整個3D打印體系中最為前沿和最具潛力的技術，是先進制造技術的重要發展防線。隨著科技發展及推廣應用的需求，利用快速直接成型制造金屬功能零件成為了快速成型主要的發展方向。而對于工業級金屬3D打印領域，粉末耗材仍是制約該技術規模化應用的重要因素之一，這是由于用于增材制造的粉末具有不同于傳統粉末所需要的粉末特性，不僅要求粉末純度高、雜質含量低，還必須滿足粉末粒徑細小、球形度高、流動性好和松裝密度高等要求。

目前，國內尚未制訂出金屬3D打印用材料標準、工藝規范、零件性能標準等行業標準或國標，在業內評價金屬粉末時，通常將化學成分、粒度分布作為常用指標，球形度、流動性、松裝密度可作為檢測指標。

本文主要來闡述化學元素分析、粒度分布及球形度這幾個3D打印金屬粉末性能評價檢測項目。

項目一：化學元素分析

1. 3D打印金屬材料中最重要的指標當然就是化學成分定性、定量分析。

所以，對于金屬原材料及最終的粉末成品，為了監測樣品的純度等品質，都需要進行成分及含量檢測。

2. 3D打印用金屬粉末對純凈度要求也很高，除測定主要元素及雜質元素外，氧、氮、氫含量也有要求。

金屬3D打印過程中，金屬重熔時，元素以液體形態存在，或者可能存在易揮發元素的揮發損失，且粉末存在衛星球、空心粉等形態問題，因此有可能在局部生成氣孔缺陷，或者造成打印后的零部件的成分異于原始粉末或者母合金的成分，從而影響到工件的致密性及其力學性能。

另外，由于目前3D打印金屬粉末制備技術主要以霧化法為主（包括超音速真空氣體霧化和旋轉電極霧化等技術），粉末存在大的比表面積，容易產生氧化。

因此，對不同體系的金屬粉末，氧含量均為一項重要指標，對于普通的金屬粉末，如不銹鋼，含氧量要求在800-900ppm以下，對于活潑金屬，如鈦合金，一般要求在1300-1500ppm，在航空航天等特殊應用領域，客戶對此指標的要求更為嚴格。此外，部分客戶也要求控制氮含量，一般要求在500ppm以下。

項目二：粒度分布

金屬3D打印常用的粉末粒度范圍是15-53μm（細粉），53-105μm（粗粉），部分場合下可放寬至105-150μm（粗粉）。

目前市場上主流SLM 成形設備要求的鋪粉層厚是20-50μm。而GBT1480-2012《金屬粉末干篩分法測定粒度》適用于大于45微米的粉末顆粒，所以已不太能滿足金屬3D打印粉末粒度測試要求。

更多粒度測量方法詳情介紹請參考：常用粒度測量方法與激光粒度分析儀的基本原理

項目三：球形度

SLM 成形專用金屬粉末是通過氣霧化法制備得到的，顆粒一般呈球狀，但也會出現形狀不規則的顆粒，顆粒球形度直接影響粉末的流動性和松裝密度。

目前球形度的常規測定方法是用電鏡來觀察，但電鏡過于耗時，一次檢測量也只有幾百個顆粒，不具有代表性，而且電鏡法沒有量化檢測標準，所以電鏡法不能作為質量監測手段，而動態圖像法很好的解決了這些問題。

總結

隨著增材制造的快速發展，原材料質量監控環節及其原材料檢測技術也需要加快發展，才能為整個制造過程把好關。

其中，元素分析和粒度粒形檢測是重要環節。檢測元素濃度的方法有很多，為了使所有待檢測的元素釋放出來，大多數方法需要進行樣品前處理，而采用燃燒或熔融法，樣品則可以直接進樣測量，不需要進行前處理，方法簡單可靠。