增材制造用金屬粉末特性的表征，有哪些先進的評判標準？
時間：2022-12-21 10:38 來源：南極熊 作者：admin 閱讀：次
導讀：粉末原料特性的控制在金屬增材制造中至關重要，它需要保證構建零件的質量并降低生產成本。然而，粉末行為受大量顆粒特性以及可以改變這些特性的環境條件的影響。
在本期文章中，介紹了行業內一些適用于粉末原料表征的現行標準，并列舉了Granutools公司最新提出的一系列粉末特性測試手段，強調了如何使此類方法在實際增材制造粉末和工藝條件方面為終端用戶提供更穩定、可重復和更有意義的數據。
在過去十年中，全球制造廠商及研究院所在定義金屬增材制造標準化程序方面開展了許多重要工作。據南極熊了解，國內最新的粉末原料表征技術規范已在GB∕T 39251-2020（增材制造 金屬粉末性能表征方法）中發布，國外相關測試標準也在 ISO/ASTM 52907 中發布，這些文件提供了有關表征測試從微觀到宏觀顆粒特性的操作技術建議。
目前，Granutools 公司提出的先進測試標準依賴于大量的實驗驗證，允許制造商獨立評估顆粒的固有特性（例如，粒度分布 (PSD)、形態、化學成分）或這些特性的宏觀表現（例如，流動性，填充動力學）。盡管從這些方法中收集信息的基本原理相同，但獲得的結果在很大程度上取決于測量配置和條件。此外，ISO/ASTM 52907 標準中描述的大量方法并不全部適用于增材制造終端用戶。
△圖 1 Granutools 提供了一系列用于金屬粉末測試和表征的儀器
這種情況突出表明需要確定用于增材制造金屬粉末表征的相關參數。更具體地說，現行的測試標準仍然缺乏粉末特性與增材制造工藝中粉末性能之間的聯系。因此，需要根據最先進的表征方法及其最新成果對當前標準進行改進。在下文中，闡明了增材制造粉末的一些關鍵參數的重要性，并提出了以清晰、可重復和穩定的方式表征這些參數的流程。
粉末流動性的重要性
粉末流動性在 ISO/ASTM52907
中被定義為“在一個或多個動力的作用下，粉末相對于彼此或相對于另一個表面置換粉末顆粒的能力”。根據定義，流動性會受到許多特性的影響。關于顆粒本身，PSD
將極大地影響粉末的流動行為，因為細粉的存在往往會增加整體團聚力。表面粗糙度和形態（例如，球形度、形狀比等）反過來將在顆粒間摩擦力和影響流動性方面起到主導作用。
關于松裝粉末的性質，溫度和濕度等環境條件也會影響流動性。事實上，粉末在儲存、處理和加工過程中所處的相對濕度會改變其水分含量；由于毛細管作用力的存在，增加濕度將導致顆粒之間的內聚相互作用力增加。然而，極端相反的情況（非常干燥的條件）最終會導致內聚力增加的類似情況，但這種情況是由于靜電荷產生造成的靜電作用力（本文未討論）。
目前，粉末制造領域內存在許多方法來評估不同條件下金屬粉末的流動性。漏斗流動方法通常是評估粉末流動特性的首選方法，該方法是指一定質量的粉末完全流過漏斗孔時所需的時間。最常用的方法是霍爾流量（國內標準見GB∕T
39251-2020，國外標準見ISO 4490 或 ASTM B213）和卡尼流量（ASTM
B964）。然而，漏斗流動測試的粉末流動狀態跟實際打印過程（如SLM）粉末的行為有很大差別，這就限制了該方法在真實工藝條件下的適用性。
△圖 2 GranuDrum 儀器根據轉鼓測量值評估金屬粉末特性，例如內聚性
為了進一步了解粉末的流動特性，振實密度分析評估了粉末在垂直敲擊時增加其堆積密度的能力（國標見GB/T
5162，國外標準見ISO 3953 或 ASTM B527）。在過去的幾十年里，旋轉滾筒內粉末的流動特性，例如GranuDrum（圖
2、3），在金屬增材制造粉末表征中越來越受到關注，特別是由于人們可以獲得有關粉末流變行為的信息。
△圖 3 GranuDrum 提供定制的圖像處理算法來表征內聚力
粉末測試的未來：評估鋪展性
盡管有上述方法，但流動性被認為是評估粉末通過系統不同部分（料斗、進料器、輸送管）輸送能力的主要因素。流動性在評估增材制造粉末在構建部件質量（無缺陷、機械強度）方面的整體性能方面的適用性相當有限。在粉末床熔融
(PBF)
制造過程中，要求良好的粉末層特征（即空間均勻性、密度、孔隙率），這主要取決于粉末鋪展行為。因此，出現了一個問題：流動性是否能夠評估鋪展性的相關屬性？
金屬粉末的鋪展性可以理解為它在重涂過程中產生空間均勻層的能力。層的平滑度和平面度的偏差將導致零件出現缺陷，必須避免這種偏差。鋪展性術語還可能包括層間以及連續層之間的密度均勻性，這也是控制構建部件的機械性能的重要因素。金屬粉末在特定設備中的鋪展性是粉末特性與重涂機配置之間相互作用的結果。人們通常認為，具有良好流動性的粉末將表現出良好的鋪展性，證明選擇流動性作為預測鋪展性的主要指標是合理的。然而，現在有一個明顯的問題，通過上述標準方法測量的流動性并不足以解釋生產中觀察到的鋪展性問題。例如：不具備流動性的粉末的也能實現良好的鋪展，并進行打印，這也是有些生產廠家不對流動性做強制要求的原因。
此外。打印設備的重涂參數——如重涂機設計（單刀片、輥）、重涂機速度和涂層——也會影響粉末的鋪展性。因此，粉末的鋪展性是一個多參數問題。它取決于粉末特性、機器配置以及兩者之間復雜的相互作用。評估所有這些參數非常具有挑戰性，并且需要進行持續的研究。Granutools正在嘗試提供基于小型儀表化重涂設備的鋪展性基準測試。盡管出于基礎研究目的很有趣，但這些測試在生產設施中的質量控制的適用性尚不確定。另一方面，粉末的鋪展性表征可以很容易地進行，不需要復雜的方法，因此未來非常有望應用到實際的生產控制當中。
當涉及到使用回收的增材制造粉末時，也會出現幾個問題。粉末回收是制造商降低生產成本的一種非常普遍的方式。然而，由于細粉的損失和材料化學性質的改變，回收粉末的性質發生了變化。因此，標準應提供一種方法來正確表征回收的增材制造粉末，并評估回收過程中其性能的變化。
Granutools公司測試粉末特性的標準方法
為了更好地理解金屬粉末特性與其鋪展性之間的關系，需要更新的表征方法，以更深入地了解粉末特性。為此，Granutools 開發了改進的方法來克服現有方法的局限性并提供新的更深入的見解。
轉鼓法
△圖 4 如何將 GranuDrum 測量值與 PBF-LB 機器內的粉末性能相關聯的一般原則
GranuDrum 提供了一種評估金屬粉末內聚性的新方法。內聚指數是基于以下觀察結果開發的，即在旋轉滾筒中流動的粉末傾斜的坡面與顆粒之間內聚相互作用的強度密切相關 [1]。
粉末的整體內聚性是內聚相互作用的直接表現，預計與粉末的鋪展性相關。近年來研究人員做了一些內聚力相關方面的研究，以評估內聚指數作為粉末鋪展性預測指標的適用性。特別是，在使用
GranuDrum 評估的內聚指數與在激光束 PBF (PBF-LB)增材制造機器中光學測量的重涂層的空間均勻性之間觀察到直接相關性（見圖 4
和 5）[2， 3]。
△圖 5 右； GranuDrum 測量后選擇的 AlSi7Mg 粉末的重涂，左； PBF-LB 進行中
漏斗流動法
漏斗流動法在金屬粉末表征中非常常見。然而，這種方法有一個主要缺點：如果粉末不能流過定制流量計漏斗的孔，就無法進行判定。GranuFlow 提出了對標準流量計的一項重大改進，它允許研究漏斗內孔的不同孔徑尺寸，從而獲得質量流量與孔徑尺寸的曲線（圖 6）。這為輕松評估無法流經標準霍爾漏斗和卡尼漏斗的粉末的流動性開辟了新的可能性。
△圖 6 GranuFlow 和霍爾流量計的測量值比較
如果想要區分不同增材制造粉末之間流動性的微小差異（例如，回收效果或批次間差異），則可以使用一種更靈敏的方法：振實密度分析。
(責任編輯：admin)
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