2.1.2　粉末特性對金屬3D打印制件性能的影響

（1）致密度

致密度是3D打印零件能否滿足使用要求的首要質量要素，決定了制件的可用性（多孔材料除外）。一般情況下，3D打印制件的致密度應該大于99%，否則，孔隙將造成打印件力學性能的惡化。在SLM技術中，制件的孔隙缺陷往往是由于不適當的參數工藝或者粉末缺陷（如空心粉）導致的收縮、球化（balling）以及蒸發作用引起的［27］。對于粉末而言，粒徑分布是影響致密度的最大因素。Spierings［28］報道了不同粉末粒徑的316L不銹鋼打印件致密度與Concept Laser M1打印參數的相關性。高斯分布的細粉Type 1（D₉₀=30.8μm）在所有激光能量密度和層厚（30μm和45μm）條件下獲得最高致密度；加入了一定量細粉（<15μm）的粗粉末Type 3（D₉₀=59.7μm）也可以獲得較高的致密度（見圖2-17）。

Liu［19］研究了不同粒徑分布的粉末在MCP SLM-Realizer 100系統中不同激光掃描速度下的成形致密度，發現寬粒徑分布粉末（Osprey）在高速掃描下（150mm/s）致密度高于窄粒徑分布粉末（LPW）在低速掃描下（100mm/s）的致密度，如圖2-18所示。窄粒徑分布粉末致密度低的原因可能是因為激光造成的細粉氣化、蒸發氣體卷入熔融態的金屬液，形成“鎖眼（keyhole）”熔池缺陷和疏松凝固組織。

Gu［12］利用EOS DMLS M270系統比較了高斯（Gauss）分布和多峰分布（Multimodal）的Ti-6Al-4V粉末的SLM打印件致密度，發現呈雙峰分布的粉末打印制件具有較高的致密度，并且雙峰分布的粉末具有更高的熱導率（圖2-19），激光熔池屬于寬淺類型，焊道間交疊造成更小的孔隙率。此外也有研究人員［29］認為由于多峰型粉末具有更高的堆積密度，故其打印制件具有更高的致密度。

（2）表面質量

3D打印制件的表面粗糙度是其質量的直觀表現。對于受循環應力的工件，表面粗糙度要求達到R_a≈0.8μm以避免制件的過早疲勞失效。SLM技術制備的金屬制件的表面粗糙度一般在8～10μm。3D打印逐層制造過程中，熔池的幾何形狀以及由于Marangoni運動引起的流動波紋和部分熔融的黏附粉體影響了制件最終的表面質量。不同粒度分布的粉末對激光束的吸收和散射作用差異造成了粉床傳熱系數、溫度分布的差異，導致熔池形狀的差別，從而影響到打印樣品表面質量［25］。

Lee等人［21］通過改變粉末的粒徑分布計算了熔池形狀的變化，發現粗粒徑粉體在激光作用下，其熔池邊緣形狀波動大于小粒徑粉末，形成熔池的不連續，從而使得制件表面粗糙，甚至在打印過程中出現熔池的“球化”現象，使得打印制件出現開裂，造成打印的失敗，如圖2-12所示。另外，較小的原料粉末粒度和較小的粉床厚度，有助于提高制件表面質量。需要指出，當采用細粉打印邊緣尖銳、具有45°斜角的部件時，由于過高的熱積累效應，其表面反而更為粗糙。

（3）微觀組織

無論是晶粒尺寸、形貌以及相組成，3D打印制件的微觀組織結構不同于傳統鑄造或鍛造制備技術，這是由于高能量束作用下的快速凝固以及逐層加熱-冷卻循環造成的，如圖2-20所示［30］。高達103～108K/s的加熱、冷卻速率使制件微觀晶粒亞結構組織尺寸往往小于1μm，這種非平衡狀態下的凝固、固態相變不同于傳統鑄造條件，為亞穩相的形核與生長提供可能［31］。

2017年，Nature Materials報道了利用兩種粉末床熔融設備（Concept和Fraunhofer）的SLM技術制備316L不銹鋼制件的多尺度組織結構和化學成分表征，從介觀尺度的晶粒，到微觀尺度的微晶晶胞、晶胞壁，再到納米尺度的析出沉淀相［32］。研究展示了激光快速凝固和固態相變作用下，3D打印316L不銹鋼制件組織的多樣性和復雜性。這也為研究材料-工藝-組織的關系，實現制件力學性能的改進與優化提供了豐富的可操作空間，如圖2-21所示。

作為原材料的金屬粉末，其化學成分是影響制件相組成、微觀組織的重要因素之一。Starr［33］研究了17-4PH不銹鋼的氬氣霧化粉末（AGA）和氮氣霧化粉末（NGA）的SLM打印件的相組成，發現NGA粉末打印件幾乎全部為奧氏體組織（>96%），而AGA粉末打印件大部分為馬氏體組織（約76%）。原因在于NGA粉末中殘余的N元素是一種奧氏體穩定元素，其存在阻礙了奧氏體-馬氏體相變的發生。另外，粉末作為一種高比表面積材料，由于存在表面氧化膜，其氧含量往往高于塊體材料。Simchi［34］將粉末氧化物含量與選區激光燒結樣品的孔隙率聯系發現，粉末氧化物含量的增加使得打印樣品孔隙率增高。湯慧萍等人［35］發現即使是在SEBM技術的高真空環境中，重復使用4次后Ti-6Al-4V ELI粉末的氧增量超標，只能降級為Ti-6Al-4V使用。也有研究指出，高氧含量若加以合理利用，可以增加粉末床激光吸收系數，提高溫度梯度，進而增加熔池凝固的過冷度，實現晶粒的細化。Averyanova等人［36］研究了兩種不同粒度的17-4PH鋼粉末在PHENIX System PM 100設備上的打印件組織結構，發現細粉（D₉₀<16μm）打印件中馬氏體含量（38%）遠高于粗粉（D₉₀<25μm）打印件（6%）。Olakanmi等人［37］研究了雙峰分布的Al-Si粉末打印件組織，發現在粉末振實密度最大的打印制件中，枝晶組織最細，這可能與不同粒徑粉末的粉床密度、粉床熱傳導系數的不同有關。但是對Ti-6Al-4V不同粒徑粉末的3D打印零件的組織性能的研究發現，雙峰分布和高斯分布的粉末在相組成和組織特征上一致。因此，粉末特性對3D打印制件微觀組織的影響仍有待進一步的研究。

（4）力學性能

3D打印研究的重要目標之一就是實現結構件的生產，這要求3D打印零件與傳統鑄鍛件相比，具有相當或更優異的力學性能，或者在相同的力學性能下，提高效率、節省材料。目前，絕大多數研究集中在3D打印工藝對零件力學性能的影響，例如激光功率、掃描速度、掃描方式和鋪粉厚度等。如前文所述，粉體粒徑分布的不同可以造成制件致密度的差異，更多的孔隙率將惡化制件的力學性能。Liu［19］研究了在改變MCP SLM-Realizer 100設備激光工藝參數條件下，316L合金兩種不同粒徑分布粉末的SLM打印件的力學性能，發現寬粒徑分布粉末（Osprey）制件側表面粗糙度更小、抗拉強度更低，延伸率提高，如圖2-22所示。

Bourell等人［38］使用Concept Laser M1設備對不同粒度316L不銹鋼粉末SLM樣件性能進行對比，發現其力學性能與粉末粒徑分布有關：粉末含有更多較細的粉末時，樣件具有更高的相對密度與強度；反之，樣件具有更高的斷裂延伸率，如圖2-23所示。

此外，粉末的形貌也會影響制件的力學性能。Attar等人［39］利用MTT SLM250 HL設備打印制備TiB增強鈦基復合材料，他們將Ti與TiB₂混合粉體機械球磨，分別經過2h和4h球磨后，發現TiB₂粉體鑲嵌在Ti粉顆粒表面，且混合粉末形貌分別呈現近球形（2h）和不規則形狀（4h）（如圖2-24所示）。對打印試樣的相對密度和力學性能對比發現，采用近球形混合粉末打印的樣件致密度和壓縮延伸率均較不規則粉末有大幅度的提高，其可能原因如下，強化顆粒與基體的界面在受力的情況下，應力容易在界面曲率大的地方（界面尖銳處）集中，從而形成裂紋，導致顆粒強化作用失效，近球形顆粒與不規則形狀的顆粒相比，與基體的界面更加平滑，更不容易出現應力集中的情況，因此具有更高的強度和延伸率。

Ahsan［9］研究了GA粉與PREP粉在激光直接沉積工藝中對打印樣品的影響。設備使用1.5kW二極管激光器配合同軸沉積噴嘴。結果表明，在相同激光功率下，PREP粉末打印制件致密度高于GA粉末，而GA粉末制件具有更高的硬度（如圖2-25所示）。

粉末材料的化學成分也是影響制件力學性能的重要因素。Yan等人［40］總結了不同氧含量對鈦合金3D打印樣品室溫塑性的影響。氧含量對3D打印制件室溫塑性的影響主要取決于組織結構的演變：在氧含量一定的情況下，形成的α'馬氏體結構樣品的室溫塑性遠低于（α+β）結構；當氧含量高于0.15%時，具有α'馬氏體結構樣品的室溫塑性顯著降低；隨著氧含量進一步增加至0.22%～0.25%時，制件發生脆化；在氧含量不超過0.36%的情況下，（α+β）結構的室溫塑性降幅較小，基本保持不變，如圖2-26所示。

此外，也有研究人員針對3D打印的特點，將粉末成分根據其用途進行微調以優化其工藝。一些研究工作發現，微量添加某些元素或化合物有助于3D打印質量的提高。例如，Fe₃P的添加可以與Fe元素形成共晶相，降低激光輸入功率的同時，由于其激光熔池表面張力的降低，改善了打印樣品的表面質量［41］。

目前報道的金屬粉末的化學成分仍然以牌號金屬為主，往往給出了包含元素的上下限。但是上述研究證明，為了提高打印件質量和性能的穩定性，需要根據用途和3D打印工藝特點對合金成分進行設計，這方面的工作目前仍然缺乏深入的研究，有望成為金屬3D打印材料研發的熱點。

（5）粉末循環利用中的變化與影響

3D打印技術顯著的技術特點之一是粉末材料的循環使用。重復使用后粉末特性的變化也將對材料的力學性能有一定的影響。西北有色金屬研究院湯慧萍等［35］在Arcam A2型SEBM設備上研究了Ti-6Al-4V合金21次循環使用過程中粉末性能及打印件性能的變化。圖2-27是循環使用中粉末形貌的變化情況，表2-1是打印件力學性能隨粉末循環使用次數的變化情況。結果表明，隨著循環次數的增加，Ti-6Al-4V粉末氧含量（質量分數）從初始的0.08%增加至循環21次后的0.19%；粉末粒徑分布變窄，粉末流動性能變好。在重復使用16次后，粉末出現明顯的變形和粗糙表面，然而粉末重復使用并未對打印件的靜態力學性能產生明顯影響。