2.3.3　金属3D打印用粉末未来发展需解决的关键问题

目前，虽然国内外在金属粉末制备技术方面日益成熟，但适用于金属3D打印技术的粉末原料种类还较少，且仅限于特定的装备和工艺，关键问题是缺乏对金属3D打印用金属粉末原料工艺适应性的深刻认识，还未掌握粉末原料特性对3D打印零件组织和性能的影响规律。

近年来，国内外围绕上述关键问题开展了初步的研究工作，并取得了一些初步的认识。美国材料与试验协会（ASTM）给出了金属3D打印用粉末特性测试指南，将粉末形貌、粒度及粒度分布、化学成分、流动性和密度作为影响3D打印的成形过程和最终零件性能的五大关键因素。

（1）粉末形貌对成形过程和零件性能的影响

粉末的形貌直接决定了粉末的流动性。对于3D打印技术而言，优良的流动性有利于粉末均匀铺展，这对于粉末床熔融技术尤其重要。Strondl等研究了激光选区熔化（SLM）和电子束选区熔化（SEBM）中粉末形貌特征对成形过程的影响。结果表明，表面光滑的球形颗粒可以减小颗粒之间的摩擦，使粉末容易铺展、成形从而获得良好的致密度。

粉末形貌对3D打印零件性能的影响同样显著。研究结果表明，采用近球形的粉末形成的零件致密度和力学性能要远高于不规则形状的粉末，如图2-13所示。例如，气雾化316L粉末由于具有良好的球形度和较高松装密度，打印件的质量要优于球形度较差的水雾化粉末。

（2）粉末粒度及分布对成形过程和性能的影响

金属粉末的粒度及粒度分布直接影响3D打印成形中的铺粉厚度，从而决定了3D打印零件的最小特征尺寸以及表面粗糙度。对于激光选区熔化技术，现有研究结果表明，粉末粒径越小、分布越窄，打印件的特征尺寸越小，表面粗糙度越低。此外，粒度分布越宽，使得粉堆的松装密度、振实密度以及铺粉密度提高，从而更容易获得更高的致密度和优异的力学性能。对于电子束选区熔化技术，粉末粒度对微观组织和力学性能的影响较小，但细粉可以降低零件的表面粗糙度，如图2-14所示。这是由于电子束功率较大，即使较大的颗粒也可以熔融充分，从而降低了打印过程对粉末粒径分布参数的敏感性。

（3）球形粉末的缺陷与控制

由于粉末制备工艺和材料本身的物理性质的原因，球形金属粉末中会出现一定量的缺陷，主要表现为空心粉和卫星粉，如图2-15所示。

利用气雾化技术制备出的金属粉末均为球形或者近球形，而且大颗粒表面黏附有零星小颗粒，小颗粒的尺寸基本小于10μm。卫星粉形成是在气雾化过程中，由于雾化室内紊流的存在，不同尺度的液滴间的碰撞时有发生。当金属液滴在雾化气氛中飞行时，一方面，大颗粒比小颗粒需要更长的时间去凝固，于是在表面能的作用下，先凝固的小颗粒将倾向于黏附在未凝固的大液滴的表面；另一方面，大颗粒比小颗粒飞行速度要慢，这种相对的速度差也造成了不同粒径颗粒之间的碰撞，导致颗粒之间的局部熔化和焊合。图2-16给出了碰撞过程中卫星颗粒和不规则颗粒形成条件和种类，包括凝固液膜包覆在已凝固颗粒表面，已凝固的小颗粒碰撞到半凝固态的大颗粒表面，小颗粒与大颗粒在高温下焊接，卫星颗粒的吸附和颗粒之间碰撞、破碎等，为后续解决卫星颗粒的形成具有借鉴意义。

空心粉末的形成原因较为复杂，根据Bradley模型不稳定理论（图2-17），在主要破碎阶段雾化气体与液态金属间的剪切作用引起的稳定波的增长是金属流破碎的主要因素。二次雾化紧紧跟随着初次雾化阶段发生，此阶段决定了最终的液滴大小，一般破碎形式有包状破碎、片状破碎以及两种都存在的混合型破碎方式（图2-18）。二次雾化发生时，初始雾化产生的液滴在气流作用下先由球体变为圆盘，若此时满足包状破碎条件则圆盘液滴中间受气体冲击力比边缘大，进而慢慢形成包状结构直至最后破碎；片状破碎发生时圆盘整体受力均匀，在冲击力作用下沿边缘破碎；当韦伯数W_e值极大时，雾化气体的冲击力作用在初始液滴上，液滴内部瞬间破碎，气体被束缚在液滴内部，形成空心球。并且随着气流动能的增加，空心球率增大。

研究结果表明，等离子旋转电极法（PREP）制备的球形TC4粉末中空心粉含量仅为气雾化（GA）法的1/3，在直接能量沉积过程中，具有更低的铺展层厚，沉积速率更高，表面粗糙度较小，样品更为致密，如图2-19所示。

（4）粉末循环利用

基于粉末床的3D打印技术最为显著的优点就是金属粉末可以循环使用，对于电子束选区熔化技术，由于其成形是在较高的温度下进行，应该考虑粉末在重复使用过程性能的变化。国内西北有色金属研究院连续跟踪了SEBM成形TC4合金21次循环使用过程中粉末性能（成分、粒度分布、松装密度、振实密度、流动性和颗粒形态）以及成形件性能的变化。结果如图2-20和表2-3所示，TC4合金粉末的氧含量（质量分数）随着循环次数的增加从最初的0.08%增加至0.19%；粉末粒径逐渐变小，流动性变好，粉末在重复使用16次后表现出明显的变形和粗糙表面；在11次重复使用后，粒度分布变窄并且观测到很少的卫星粉；重复使用并没有对成形件的力学性能产生明显影响。