增材制造用金屬粉末特性的表征，有哪些先進(jìn)的評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)？
時(shí)間：2022-12-21 10:38 來源：南極熊 作者：admin 閱讀：次
導(dǎo)讀：粉末原料特性的控制在金屬增材制造中至關(guān)重要，它需要保證構(gòu)建零件的質(zhì)量并降低生產(chǎn)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(huán)境條件的影響。
在本期文章中，介紹了行業(yè)內(nèi)一些適用于粉末原料表征的現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)，并列舉了Granutools公司最新提出的一系列粉末特性測試手段，強(qiáng)調(diào)了如何使此類方法在實(shí)際增材制造粉末和工藝條件方面為終端用戶提供更穩(wěn)定、可重復(fù)和更有意義的數(shù)據(jù)。
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(biāo)準(zhǔn)化程序方面開展了許多重要工作。據(jù)南極熊了解，國內(nèi)最新的粉末原料表征技術(shù)規(guī)范已在GB∕T 39251-2020（增材制造 金屬粉末性能表征方法）中發(fā)布，國外相關(guān)測試標(biāo)準(zhǔn)也在 ISO/ASTM 52907 中發(fā)布，這些文件提供了有關(guān)表征測試從微觀到宏觀顆粒特性的操作技術(shù)建議。
目前，Granutools 公司提出的先進(jìn)測試標(biāo)準(zhǔn)依賴于大量的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，允許制造商獨(dú)立評(píng)估顆粒的固有特性（例如，粒度分布 (PSD)、形態(tài)、化學(xué)成分）或這些特性的宏觀表現(xiàn)（例如，流動(dòng)性，填充動(dòng)力學(xué)）。盡管從這些方法中收集信息的基本原理相同，但獲得的結(jié)果在很大程度上取決于測量配置和條件。此外，ISO/ASTM 52907 標(biāo)準(zhǔn)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(guān)參數(shù)。更具體地說，現(xiàn)行的測試標(biāo)準(zhǔn)仍然缺乏粉末特性與增材制造工藝中粉末性能之間的聯(lián)系。因此，需要根據(jù)最先進(jìn)的表征方法及其最新成果對(duì)當(dāng)前標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行改進(jìn)。在下文中，闡明了增材制造粉末的一些關(guān)鍵參數(shù)的重要性，并提出了以清晰、可重復(fù)和穩(wěn)定的方式表征這些參數(shù)的流程。
粉末流動(dòng)性的重要性
粉末流動(dòng)性在 ISO/ASTM52907
中被定義為“在一個(gè)或多個(gè)動(dòng)力的作用下，粉末相對(duì)于彼此或相對(duì)于另一個(gè)表面置換粉末顆粒的能力”。根據(jù)定義，流動(dòng)性會(huì)受到許多特性的影響。關(guān)于顆粒本身，PSD
將極大地影響粉末的流動(dòng)行為，因?yàn)榧?xì)粉的存在往往會(huì)增加整體團(tuán)聚力。表面粗糙度和形態(tài)（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(dòng)性方面起到主導(dǎo)作用。
關(guān)于松裝粉末的性質(zhì)，溫度和濕度等環(huán)境條件也會(huì)影響流動(dòng)性。事實(shí)上，粉末在儲(chǔ)存、處理和加工過程中所處的相對(duì)濕度會(huì)改變其水分含量；由于毛細(xì)管作用力的存在，增加濕度將導(dǎo)致顆粒之間的內(nèi)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(huì)導(dǎo)致內(nèi)聚力增加的類似情況，但這種情況是由于靜電荷產(chǎn)生造成的靜電作用力（本文未討論）。
目前，粉末制造領(lǐng)域內(nèi)存在許多方法來評(píng)估不同條件下金屬粉末的流動(dòng)性。漏斗流動(dòng)方法通常是評(píng)估粉末流動(dòng)特性的首選方法，該方法是指一定質(zhì)量的粉末完全流過漏斗孔時(shí)所需的時(shí)間。最常用的方法是霍爾流量（國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)見GB∕T
39251-2020，國外標(biāo)準(zhǔn)見ISO 4490 或 ASTM B213）和卡尼流量（ASTM
B964）。然而，漏斗流動(dòng)測試的粉末流動(dòng)狀態(tài)跟實(shí)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(shí)工藝條件下的適用性。
△圖 2 GranuDrum 儀器根據(jù)轉(zhuǎn)鼓測量值評(píng)估金屬粉末特性，例如內(nèi)聚性
為了進(jìn)一步了解粉末的流動(dòng)特性，振實(shí)密度分析評(píng)估了粉末在垂直敲擊時(shí)增加其堆積密度的能力（國標(biāo)見GB/T
5162，國外標(biāo)準(zhǔn)見ISO 3953 或 ASTM B527）。在過去的幾十年里，旋轉(zhuǎn)滾筒內(nèi)粉末的流動(dòng)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(guān)注，特別是由于人們可以獲得有關(guān)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(nèi)聚力
粉末測試的未來：評(píng)估鋪展性
盡管有上述方法，但流動(dòng)性被認(rèn)為是評(píng)估粉末通過系統(tǒng)不同部分（料斗、進(jìn)料器、輸送管）輸送能力的主要因素。流動(dòng)性在評(píng)估增材制造粉末在構(gòu)建部件質(zhì)量（無缺陷、機(jī)械強(qiáng)度）方面的整體性能方面的適用性相當(dāng)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(xiàn)了一個(gè)問題：流動(dòng)性是否能夠評(píng)估鋪展性的相關(guān)屬性？
金屬粉末的鋪展性可以理解為它在重涂過程中產(chǎn)生空間均勻?qū)拥哪芰�。層的平滑度和平面度的偏差將�?dǎo)致零件出現(xiàn)缺陷，必須避免這種偏差。鋪展性術(shù)語還可能包括層間以及連續(xù)層之間的密度均勻性，這也是控制構(gòu)建部件的機(jī)械性能的重要因素。金屬粉末在特定設(shè)備中的鋪展性是粉末特性與重涂機(jī)配置之間相互作用的結(jié)果。人們通常認(rèn)為，具有良好流動(dòng)性的粉末將表現(xiàn)出良好的鋪展性，證明選擇流動(dòng)性作為預(yù)測鋪展性的主要指標(biāo)是合理的。然而，現(xiàn)在有一個(gè)明顯的問題，通過上述標(biāo)準(zhǔn)方法測量的流動(dòng)性并不足以解釋生產(chǎn)中觀察到的鋪展性問題。例如：不具備流動(dòng)性的粉末的也能實(shí)現(xiàn)良好的鋪展，并進(jìn)行打印，這也是有些生產(chǎn)廠家不對(duì)流動(dòng)性做強(qiáng)制要求的原因。
此外。打印設(shè)備的重涂參數(shù)——如重涂機(jī)設(shè)計(jì)（單刀片、輥）、重涂機(jī)速度和涂層——也會(huì)影響粉末的鋪展性。因此，粉末的鋪展性是一個(gè)多參數(shù)問題。它取決于粉末特性、機(jī)器配置以及兩者之間復(fù)雜的相互作用。評(píng)估所有這些參數(shù)非常具有挑戰(zhàn)性，并且需要進(jìn)行持續(xù)的研究。Granutools正在嘗試提供基于小型儀表化重涂設(shè)備的鋪展性基準(zhǔn)測試。盡管出于基礎(chǔ)研究目的很有趣，但這些測試在生產(chǎn)設(shè)施中的質(zhì)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(jìn)行，不需要復(fù)雜的方法，因此未來非常有望應(yīng)用到實(shí)際的生產(chǎn)控制當(dāng)中。
當(dāng)涉及到使用回收的增材制造粉末時(shí)，也會(huì)出現(xiàn)幾個(gè)問題。粉末回收是制造商降低生產(chǎn)成本的一種非常普遍的方式。然而，由于細(xì)粉的損失和材料化學(xué)性質(zhì)的改變，回收粉末的性質(zhì)發(fā)生了變化。因此，標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)提供一種方法來正確表征回收的增材制造粉末，并評(píng)估回收過程中其性能的變化。
Granutools公司測試粉末特性的標(biāo)準(zhǔn)方法
為了更好地理解金屬粉末特性與其鋪展性之間的關(guān)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(fā)了改進(jìn)的方法來克服現(xiàn)有方法的局限性并提供新的更深入的見解。
轉(zhuǎn)鼓法
△圖 4 如何將 GranuDrum 測量值與 PBF-LB 機(jī)器內(nèi)的粉末性能相關(guān)聯(lián)的一般原則
GranuDrum 提供了一種評(píng)估金屬粉末內(nèi)聚性的新方法。內(nèi)聚指數(shù)是基于以下觀察結(jié)果開發(fā)的，即在旋轉(zhuǎn)滾筒中流動(dòng)的粉末傾斜的坡面與顆粒之間內(nèi)聚相互作用的強(qiáng)度密切相關(guān) [1]。
粉末的整體內(nèi)聚性是內(nèi)聚相互作用的直接表現(xiàn)，預(yù)計(jì)與粉末的鋪展性相關(guān)。近年來研究人員做了一些內(nèi)聚力相關(guān)方面的研究，以評(píng)估內(nèi)聚指數(shù)作為粉末鋪展性預(yù)測指標(biāo)的適用性。特別是，在使用
GranuDrum 評(píng)估的內(nèi)聚指數(shù)與在激光束 PBF (PBF-LB)增材制造機(jī)器中光學(xué)測量的重涂層的空間均勻性之間觀察到直接相關(guān)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(jìn)行中
漏斗流動(dòng)法
漏斗流動(dòng)法在金屬粉末表征中非常常見。然而，這種方法有一個(gè)主要缺點(diǎn)：如果粉末不能流過定制流量計(jì)漏斗的孔，就無法進(jìn)行判定。GranuFlow 提出了對(duì)標(biāo)準(zhǔn)流量計(jì)的一項(xiàng)重大改進(jìn)，它允許研究漏斗內(nèi)孔的不同孔徑尺寸，從而獲得質(zhì)量流量與孔徑尺寸的曲線（圖 6）。這為輕松評(píng)估無法流經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)霍爾漏斗和卡尼漏斗的粉末的流動(dòng)性開辟了新的可能性。
△圖 6 GranuFlow 和霍爾流量計(jì)的測量值比較
如果想要區(qū)分不同增材制造粉末之間流動(dòng)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(shí)密度分析。
(責(zé)任編輯：admin)
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