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(zhì)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(yīng)該大于99%，否則，孔隙將造成打印件力學(xué)性能的惡化。在SLM技術(shù)中，制件的孔隙缺陷往往是由于不適當(dāng)?shù)膮?shù)工藝或者粉末缺陷（如空心粉）導(dǎo)致的收縮、球化（balling）以及蒸發(fā)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(bào)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(shù)的相關(guān)性。高斯分布的細(xì)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(xì)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(tǒng)中不同激光掃描速度下的成形致密度，發(fā)現(xiàn)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?yàn)榧す庠斐傻募?xì)粉氣化、蒸發(fā)氣體卷入熔融態(tài)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(tǒng)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(fā)現(xiàn)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(dǎo)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(rèn)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(zhì)量

3D打印制件的表面粗糙度是其質(zhì)量的直觀表現(xiàn)。對于受循環(huán)應(yīng)力的工件，表面粗糙度要求達(dá)到R_a≈0.8μm以避免制件的過早疲勞失效。SLM技術(shù)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(yùn)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(zhì)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(shù)、溫度分布的差異，導(dǎo)致熔池形狀的差別，從而影響到打印樣品表面質(zhì)量［25］。

Lee等人［21］通過改變粉末的粒徑分布計(jì)算了熔池形狀的變化，發(fā)現(xiàn)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(xù)，從而使得制件表面粗糙，甚至在打印過程中出現(xiàn)熔池的“球化”現(xiàn)象，使得打印制件出現(xiàn)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(zhì)量。需要指出，當(dāng)采用細(xì)粉打印邊緣尖銳、具有45°斜角的部件時(shí)，由于過高的熱積累效應(yīng)，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(jié)構(gòu)不同于傳統(tǒng)鑄造或鍛造制備技術(shù)，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(huán)造成的，如圖2-20所示［30］。高達(dá)103～108K/s的加熱、冷卻速率使制件微觀晶粒亞結(jié)構(gòu)組織尺寸往往小于1μm，這種非平衡狀態(tài)下的凝固、固態(tài)相變不同于傳統(tǒng)鑄造條件，為亞穩(wěn)相的形核與生長提供可能［31］。

2017年，Nature Materials報(bào)道了利用兩種粉末床熔融設(shè)備（Concept和Fraunhofer）的SLM技術(shù)制備316L不銹鋼制件的多尺度組織結(jié)構(gòu)和化學(xué)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(tài)相變作用下，3D打印316L不銹鋼制件組織的多樣性和復(fù)雜性。這也為研究材料-工藝-組織的關(guān)系，實(shí)現(xiàn)制件力學(xué)性能的改進(jìn)與優(yōu)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(xué)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?dú)忪F化粉末（NGA）的SLM打印件的相組成，發(fā)現(xiàn)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(wěn)定元素，其存在阻礙了奧氏體-馬氏體相變的發(fā)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(qū)激光燒結(jié)樣品的孔隙率聯(lián)系發(fā)現(xiàn)，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(fā)現(xiàn)即使是在SEBM技術(shù)的高真空環(huán)境中，重復(fù)使用4次后Ti-6Al-4V ELI粉末的氧增量超標(biāo)，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(shù)，提高溫度梯度，進(jìn)而增加熔池凝固的過冷度，實(shí)現(xiàn)晶粒的細(xì)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(shè)備上的打印件組織結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)細(xì)粉（D₉₀<16μm）打印件中馬氏體含量（38%）遠(yuǎn)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(fā)現(xiàn)在粉末振實(shí)密度最大的打印制件中，枝晶組織最細(xì)，這可能與不同粒徑粉末的粉床密度、粉床熱傳導(dǎo)系數(shù)的不同有關(guān)。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(fā)現(xiàn)，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(jìn)一步的研究。

（4）力學(xué)性能

3D打印研究的重要目標(biāo)之一就是實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)件的生產(chǎn)，這要求3D打印零件與傳統(tǒng)鑄鍛件相比，具有相當(dāng)或更優(yōu)異的力學(xué)性能，或者在相同的力學(xué)性能下，提高效率、節(jié)省材料。目前，絕大多數(shù)研究集中在3D打印工藝對零件力學(xué)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(xué)性能。Liu［19］研究了在改變MCP SLM-Realizer 100設(shè)備激光工藝參數(shù)條件下，316L合金兩種不同粒徑分布粉末的SLM打印件的力學(xué)性能，發(fā)現(xiàn)寬粒徑分布粉末（Osprey）制件側(cè)表面粗糙度更小、抗拉強(qiáng)度更低，延伸率提高，如圖2-22所示。

Bourell等人［38］使用Concept Laser M1設(shè)備對不同粒度316L不銹鋼粉末SLM樣件性能進(jìn)行對比，發(fā)現(xiàn)其力學(xué)性能與粉末粒徑分布有關(guān)：粉末含有更多較細(xì)的粉末時(shí)，樣件具有更高的相對密度與強(qiáng)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(xué)性能。Attar等人［39］利用MTT SLM250 HL設(shè)備打印制備TiB增強(qiáng)鈦基復(fù)合材料，他們將Ti與TiB₂混合粉體機(jī)械球磨，分別經(jīng)過2h和4h球磨后，發(fā)現(xiàn)TiB₂粉體鑲嵌在Ti粉顆粒表面，且混合粉末形貌分別呈現(xiàn)近球形（2h）和不規(guī)則形狀（4h）（如圖2-24所示）。對打印試樣的相對密度和力學(xué)性能對比發(fā)現(xiàn)，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(guī)則粉末有大幅度的提高，其可能原因如下，強(qiáng)化顆粒與基體的界面在受力的情況下，應(yīng)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(dǎo)致顆粒強(qiáng)化作用失效，近球形顆粒與不規(guī)則形狀的顆粒相比，與基體的界面更加平滑，更不容易出現(xiàn)應(yīng)力集中的情況，因此具有更高的強(qiáng)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(shè)備使用1.5kW二極管激光器配合同軸沉積噴嘴。結(jié)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(xué)成分也是影響制件力學(xué)性能的重要因素。Yan等人［40］總結(jié)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(jié)構(gòu)的演變：在氧含量一定的情況下，形成的α'馬氏體結(jié)構(gòu)樣品的室溫塑性遠(yuǎn)低于（α+β）結(jié)構(gòu)；當(dāng)氧含量高于0.15%時(shí)，具有α'馬氏體結(jié)構(gòu)樣品的室溫塑性顯著降低；隨著氧含量進(jìn)一步增加至0.22%～0.25%時(shí)，制件發(fā)生脆化；在氧含量不超過0.36%的情況下，（α+β）結(jié)構(gòu)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(diǎn)，將粉末成分根據(jù)其用途進(jìn)行微調(diào)以優(yōu)化其工藝。一些研究工作發(fā)現(xiàn)，微量添加某些元素或化合物有助于3D打印質(zhì)量的提高。例如，F(xiàn)e₃P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(shí)，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(zhì)量［41］。

目前報(bào)道的金屬粉末的化學(xué)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(zhì)量和性能的穩(wěn)定性，需要根據(jù)用途和3D打印工藝特點(diǎn)對合金成分進(jìn)行設(shè)計(jì)，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(fā)的熱點(diǎn)。

（5）粉末循環(huán)利用中的變化與影響

3D打印技術(shù)顯著的技術(shù)特點(diǎn)之一是粉末材料的循環(huán)使用。重復(fù)使用后粉末特性的變化也將對材料的力學(xué)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(shè)備上研究了Ti-6Al-4V合金21次循環(huán)使用過程中粉末性能及打印件性能的變化。圖2-27是循環(huán)使用中粉末形貌的變化情況，表2-1是打印件力學(xué)性能隨粉末循環(huán)使用次數(shù)的變化情況。結(jié)果表明，隨著循環(huán)次數(shù)的增加，Ti-6Al-4V粉末氧含量（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）從初始的0.08%增加至循環(huán)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(fù)使用16次后，粉末出現(xiàn)明顯的變形和粗糙表面，然而粉末重復(fù)使用并未對打印件的靜態(tài)力學(xué)性能產(chǎn)生明顯影響。