2.3.3　金屬3D打印用粉末未來發展需解決的關鍵問題

目前，雖然國內外在金屬粉末制備技術方面日益成熟，但適用于金屬3D打印技術的粉末原料種類還較少，且僅限于特定的裝備和工藝，關鍵問題是缺乏對金屬3D打印用金屬粉末原料工藝適應性的深刻認識，還未掌握粉末原料特性對3D打印零件組織和性能的影響規律。

近年來，國內外圍繞上述關鍵問題開展了初步的研究工作，并取得了一些初步的認識。美國材料與試驗協會（ASTM）給出了金屬3D打印用粉末特性測試指南，將粉末形貌、粒度及粒度分布、化學成分、流動性和密度作為影響3D打印的成形過程和最終零件性能的五大關鍵因素。

（1）粉末形貌對成形過程和零件性能的影響

粉末的形貌直接決定了粉末的流動性。對于3D打印技術而言，優良的流動性有利于粉末均勻鋪展，這對于粉末床熔融技術尤其重要。Strondl等研究了激光選區熔化（SLM）和電子束選區熔化（SEBM）中粉末形貌特征對成形過程的影響。結果表明，表面光滑的球形顆粒可以減小顆粒之間的摩擦，使粉末容易鋪展、成形從而獲得良好的致密度。

粉末形貌對3D打印零件性能的影響同樣顯著。研究結果表明，采用近球形的粉末形成的零件致密度和力學性能要遠高于不規則形狀的粉末，如圖2-13所示。例如，氣霧化316L粉末由于具有良好的球形度和較高松裝密度，打印件的質量要優于球形度較差的水霧化粉末。

（2）粉末粒度及分布對成形過程和性能的影響

金屬粉末的粒度及粒度分布直接影響3D打印成形中的鋪粉厚度，從而決定了3D打印零件的最小特征尺寸以及表面粗糙度。對于激光選區熔化技術，現有研究結果表明，粉末粒徑越小、分布越窄，打印件的特征尺寸越小，表面粗糙度越低。此外，粒度分布越寬，使得粉堆的松裝密度、振實密度以及鋪粉密度提高，從而更容易獲得更高的致密度和優異的力學性能。對于電子束選區熔化技術，粉末粒度對微觀組織和力學性能的影響較小，但細粉可以降低零件的表面粗糙度，如圖2-14所示。這是由于電子束功率較大，即使較大的顆粒也可以熔融充分，從而降低了打印過程對粉末粒徑分布參數的敏感性。

（3）球形粉末的缺陷與控制

由于粉末制備工藝和材料本身的物理性質的原因，球形金屬粉末中會出現一定量的缺陷，主要表現為空心粉和衛星粉，如圖2-15所示。

利用氣霧化技術制備出的金屬粉末均為球形或者近球形，而且大顆粒表面黏附有零星小顆粒，小顆粒的尺寸基本小于10μm。衛星粉形成是在氣霧化過程中，由于霧化室內紊流的存在，不同尺度的液滴間的碰撞時有發生。當金屬液滴在霧化氣氛中飛行時，一方面，大顆粒比小顆粒需要更長的時間去凝固，于是在表面能的作用下，先凝固的小顆粒將傾向于黏附在未凝固的大液滴的表面；另一方面，大顆粒比小顆粒飛行速度要慢，這種相對的速度差也造成了不同粒徑顆粒之間的碰撞，導致顆粒之間的局部熔化和焊合。圖2-16給出了碰撞過程中衛星顆粒和不規則顆粒形成條件和種類，包括凝固液膜包覆在已凝固顆粒表面，已凝固的小顆粒碰撞到半凝固態的大顆粒表面，小顆粒與大顆粒在高溫下焊接，衛星顆粒的吸附和顆粒之間碰撞、破碎等，為后續解決衛星顆粒的形成具有借鑒意義。

空心粉末的形成原因較為復雜，根據Bradley模型不穩定理論（圖2-17），在主要破碎階段霧化氣體與液態金屬間的剪切作用引起的穩定波的增長是金屬流破碎的主要因素。二次霧化緊緊跟隨著初次霧化階段發生，此階段決定了最終的液滴大小，一般破碎形式有包狀破碎、片狀破碎以及兩種都存在的混合型破碎方式（圖2-18）。二次霧化發生時，初始霧化產生的液滴在氣流作用下先由球體變為圓盤，若此時滿足包狀破碎條件則圓盤液滴中間受氣體沖擊力比邊緣大，進而慢慢形成包狀結構直至最后破碎；片狀破碎發生時圓盤整體受力均勻，在沖擊力作用下沿邊緣破碎；當韋伯數W_e值極大時，霧化氣體的沖擊力作用在初始液滴上，液滴內部瞬間破碎，氣體被束縛在液滴內部，形成空心球。并且隨著氣流動能的增加，空心球率增大。

研究結果表明，等離子旋轉電極法（PREP）制備的球形TC4粉末中空心粉含量僅為氣霧化（GA）法的1/3，在直接能量沉積過程中，具有更低的鋪展層厚，沉積速率更高，表面粗糙度較小，樣品更為致密，如圖2-19所示。

（4）粉末循環利用

基于粉末床的3D打印技術最為顯著的優點就是金屬粉末可以循環使用，對于電子束選區熔化技術，由于其成形是在較高的溫度下進行，應該考慮粉末在重復使用過程性能的變化。國內西北有色金屬研究院連續跟蹤了SEBM成形TC4合金21次循環使用過程中粉末性能（成分、粒度分布、松裝密度、振實密度、流動性和顆粒形態）以及成形件性能的變化。結果如圖2-20和表2-3所示，TC4合金粉末的氧含量（質量分數）隨著循環次數的增加從最初的0.08%增加至0.19%；粉末粒徑逐漸變小，流動性變好，粉末在重復使用16次后表現出明顯的變形和粗糙表面；在11次重復使用后，粒度分布變窄并且觀測到很少的衛星粉；重復使用并沒有對成形件的力學性能產生明顯影響。