3.2.2　粉末物理特性與3D打印的交互作用機(jī)制

粉末物理特性主要包括形貌、粒徑、流動性、表面積等，流動性、表面積等與形貌和粒徑有著直接的關(guān)系，因此，形貌和粒徑分布是影響3D打印質(zhì)量的關(guān)鍵因素。華中科技大學(xué)史玉升等人采用氣霧化和水霧化制備了不銹鋼粉末研究粉末形貌對增材的影響，結(jié)果表明，兩種粉末粒徑分布基本接近，但其顆粒形狀存在較大差異，水霧化形貌不規(guī)則、球形度差、鋪粉效果不佳，氣霧化粉末球形度較好、鋪粉效果好、成形質(zhì)量好。北京工業(yè)大學(xué)張冬云［16］發(fā)現(xiàn)，粉末粒度對SLM成形質(zhì)量有直接影響，在一定范圍內(nèi)，粒度越小越有利于金屬粉末的熔化成形，成形制件的致密度更高。在相同條件的激光光斑作用下，小粒度的粉末顆粒比表面積相對較大，更易于熔化，從而獲得較高的致密度，但粒度太小的粉末（粒徑小于10μm）流動性差，不易于鋪粉，易造成粉層厚度不一致，降低制件的成形質(zhì)量。Izhar Abd Aziz［17］、P.A.Kobryn等人［18，19］采用了不同制粉方法，獲得了不同粒徑的粉末，并進(jìn)行了SLM激光選區(qū)熔覆實驗，結(jié)果表明，使用氣霧化粉末獲得的3D打印件的楊氏模量、屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和硬度等力學(xué)性能測試表明都好于傳統(tǒng)Ti-6Al-4V材料。

金屬粉末屬于松散狀物質(zhì)，其性能綜合反映了金屬本身的性質(zhì)和單個顆粒的性狀及顆粒群的特性。一般將金屬粉末的性能分為物理性能、化學(xué)性能和工藝性能。物理性能包括粉末的平均粒度和粒度分布，粉末的比表面和真密度，顆粒的形狀、表面形貌和內(nèi)部顯微結(jié)構(gòu)；化學(xué)性能是指金屬含量和雜質(zhì)含量；工藝性能是一種綜合性能，包括粉末的流動性、松裝密度、振實密度、壓縮性等。

粉末的粒徑直接影響3D打印過程中逐層的厚度，決定打印部件最小特征尺寸，研究表明［20～33］，粉末粒徑越小，特征尺寸越小，表面粗糙度越低。此外粒度分布越寬，在SLM工藝中，更易獲得高的松裝密度、振實密度以及鋪粉密度，從而使制件致密度更高，力學(xué)性能更優(yōu)異。

采用SEBM技術(shù)，Joakim Karlsson［20］打印Ti-6Al-4V合金25～45μm和45～100μm兩種粒徑分布粉末的樣件，通過對比發(fā)現(xiàn)樣件在化學(xué)成分、宏觀和微觀組織以及力學(xué)性能上存在的差異不大，粉末粒徑分布對其影響不明顯，僅在表面粗糙度上存在差別。這是因為相比較粉末床激光3D打印，SEBM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(shù)的敏感性。

（1）粉末微觀形貌對3D打印過程的影響

粉末物理特性的影響，首先體現(xiàn)在粉末的微觀形貌上。北京工業(yè)大學(xué)張冬云［16］等人采用氣霧化和水霧化制備了不銹鋼粉末，結(jié)果表明，兩種粉末粒徑分布基本接近，但其顆粒形狀存在較大差異。圖3-2是兩種不銹鋼粉末的微觀形貌，水霧化的顆粒呈不規(guī)則形狀，氣霧化粉末顆粒為較規(guī)則的球形。粉末顆粒形狀會影響粉末的流動性，進(jìn)而影響鋪粉的均勻性。結(jié)果表明在相同工藝參數(shù)下，粉末顆粒形狀直接影響著選擇性激光熔化成形制件的致密度和表面質(zhì)量，球形顆粒粉末相對不規(guī)則顆粒粉末，更適合選擇性3D打印成形。

（2）金屬粉末粒度組成對3D打印的影響

粉末的粒徑以及粒徑分布是影響3D打印工藝方法和參數(shù)的又一重要物理特性。美國Waikato大學(xué)Izhar Abd Aziz［17］、日本大阪大學(xué)Abe F等人［21］采用了不同的制粉方法，獲得了不同粒徑的粉末，并進(jìn)行了SLM激光選區(qū)熔覆實驗，結(jié)果表明，氣霧化獲得粉末3D打印后的楊氏模量、屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度和硬度等力學(xué)性能測試表明都好于傳統(tǒng)Ti-6Al-4V材料。國內(nèi)，北京工業(yè)大學(xué)張冬云、史玉升等人［16，22～25］研究結(jié)果表明，粉末粒度對SLM成形質(zhì)量有直接影響。在一定范圍內(nèi)，粒度越小更有利于金屬粉末的熔化成形，成形制件的致密度更高。在相同條件的激光光斑作用下，小粒度的粉末顆粒比表面積相對較大的更易于熔化，從而獲得較高的致密度。但粒度太小（粒徑小于10μm），粉末流動性差，不易于鋪粉，易造成粉層厚度不一致，降低制件的成形質(zhì)量。

（3）粉末的流動性對打印性能的影響

粉末的流動性、密度等參數(shù)是粉末材料的工藝性能，由金屬粉末的物理性能直接決定，即粉末的粒度分布、形貌以及表面質(zhì)量決定了粉末流動性、松裝密度和振實密度等參數(shù)。松裝密度是指粉末試樣自然地充填規(guī)定的容器時，單位容積內(nèi)粉末的質(zhì)量；振實密度是指在振動或敲擊下，粉末緊密填充規(guī)定的容器后所得的密度。通常情況下，豪斯納比率（Hausner Ratio，松裝密度/振實密度比值）越小，粉末流動性越好［26～33］。此外，材料本身的內(nèi)在性能，如內(nèi)摩擦系數(shù)，也會影響粉末流動性。以SLM打印技術(shù)為例，形貌好、球形度高的粉末流動性好，粉末床上的鋪粉密度（powder bed density）越高，制件的致密性越高［33～37］。也有研究表明粉末的流動性對鋪粉密度的影響并不顯著，來自不同生產(chǎn)商的3D打印TC4粉末的粉末休止角差異較大，但是在打印過程中的鋪粉密度卻無顯著差別。這是因為粉末流動性的表征是休止角、崩潰角以及壓縮率等不同參數(shù)的綜合指標(biāo)，不僅限于休止角的測量。Spierings等［37，38］采用旋轉(zhuǎn)粉末分析儀（revolution powder analyzer）系統(tǒng)地評價了23種SLM打印Fe、Ni合金粉末的流動性指標(biāo)，并與豪斯納比率、壓縮率、崩潰角以及崩潰表面分?jǐn)?shù)等參數(shù)進(jìn)行對比分析后認(rèn)為，在不考慮粉末粒徑分布和形狀的情況下，豪斯納比率不能很好地表征細(xì)粉的流動性，而崩潰角以及崩潰表面分?jǐn)?shù)則與旋轉(zhuǎn)粉末分析儀所獲得的流動性結(jié)果一致，并建議將其作為3D打印粉末流動性測試的ASTM標(biāo)準(zhǔn)。值得一提的是，金屬粉末流動性的量化指標(biāo)是與儲粉、鋪粉技術(shù)和設(shè)備相關(guān)的，同樣的粉末材料，用鋪粉尺（ruler，如Concept Laser設(shè)備）和粉鼓（roller，如 EOS設(shè)備），其鋪粉密度也不相同。

（4）金屬粉末物理特性與3D打印工藝窗口的建立

國內(nèi)，張冬云、史玉升等人［16，22～25］對不同粒度粉末進(jìn)行SLM實驗建立了粉末物理特性與3D打印的匹配性工藝窗口，見圖3-3。粉末粒徑較大時，鋪粉時粉末容易出現(xiàn)分布不均的現(xiàn)象，且粉末比表面積較小，對能量的吸收較小，導(dǎo)致3D打印后有球化現(xiàn)象，表面粗糙度差，只有粉末比例適當(dāng)，且粒徑大小在一定范圍內(nèi)，才有比較好的制造效果。粉末顆粒大造成鋪粉不均勻，掃描寬度不均勻，表面粗糙，易球化，比表面積小，能量吸收少，易發(fā)生熔不透或熔化不完全現(xiàn)象。不同粒徑熔化后形成的熔化道寬度也不相同，不同種類的粉末粒徑，熔化道的搭接率需要進(jìn)行優(yōu)化。