金属粉末的粒度和粒形表征

宣布时间：2020/11/20

全自新闻态图像剖析手艺

粉末球形度——真正相识与最终成型的零件质量亲近相关的金属粉的颗粒形态

叠层增材制造手艺相比于古板的减材制造具有许多的优点，，，，，，但照旧保存一些手艺难点。。。。。例如，，，，，，在选区激光熔化（SLM）工艺中怎样有用的控制粉体床中的金属粉末的质量。。。。。金属粉的颗粒形态是主要的质料参数，，，，，，与最终成型的零件质量有亲近关系[1]。。。。。

现在，，，，，，表征颗粒形态的手艺有动态图像剖析和扫描电镜。。。。。动态图像剖析手艺可丈量的颗粒数目大，，，，，，可是区分率较低，，，，，，扫描电镜区分率高，，，，，，可是可丈量的颗粒数目小。。。。。

马尔文帕纳科全自新闻态图像剖析手艺，，，，，，兼具了图像区分率高和统计学效果好的优点，，，，，，通过粒度和粒形的效果乐成区分并获得球形度高，，，，，，球形度较高、卫星粉、延伸度高和团圆颗粒的比例。。。。。

[增材制造行业趋势？？？？]

以3D打印为例的增材制造工艺可以用较少的原质料生产出重大的形状，，，，，，金属部件古板的制造方法一样平常都是减材工艺，，，，，，即将一整块金属通过研磨工艺机械制成，，，，，，那么为什么各人现在对增材手艺云云感兴趣呢：

更少的原质料消耗，，，，，，相比于古板的机械加工，，，，，，可以节约至多25倍的原质料；；；；；；

提高了设计的自由度和零件的轻质化，，，，，，从而提高了航空领域的燃烧效率；；；；；；

可以制备类似内部管道的具备重大结构并功效奇异的部件；；；；；；

短的产品生产周期，，，，，，低的库存量；；；；；；

可以生产客户定制化的小量部件。。。。。

未来四年，，，，，，增材制造有一个很强劲的增添，，，，，，每年均增添22.5%，，，，，，预估到2024年估值抵达360亿美金[1]。。。。。

[增材制造工艺的难点在哪儿？？？？]

关于增材制造工艺，，，，，，仍然有一些手艺挑战会带来阻碍。。。。。好比在选择性激光熔融(SLM)手艺中的粉末床工艺中的金属粉末质量问题。。。。。图1展示了SLM工艺中金属粉末床怎样形成和扫描激光金属形成2D形貌。。。。。一连一直的新的粉末床为最终的3D金属部件提供原质料。。。。。金属部件的结构一致性和完成件的外貌平整度与粉末的化学特征和群集密度息息相关[2]。。。。。

图1 叠层增材制造工艺的粉末床工艺图

图2是粉末床在与激光接触时的熔融池的模拟图像[3]，，，，，，熔融池的温度与粉末的组分和由群集密度控制的熔池的一连性直接相关，，，，，，外貌模拟图像显示低的群集密度会导致不一连性。。。。。在这案例中，，，，，，完成件的外貌较量粗糙且有可能导致结构一致性的降低。。。。。反之，，，，，，高的群集密度粉末床会形成一个一连的熔融池，，，，，，从而生产出外貌平滑的结构稳固的完成件。。。。。

图2 积密度影响的熔融池剖析[3]

粉末的群集密度是由颗粒巨细和形状控制的，，，，，，从图三可以看出，，，，，，与多漫衍粒度相较量，，，，，，单漫衍粒度的粉体群集密度较低[4]。。。。。图3也显示群集密度在中心孔隙被小颗粒填充的情形下抵达最大。。。。。

图3 群集密度和颗粒巨细的关系

然而，，，，，，越小的颗粒相比于大颗粒比外貌越大，，，，，，以是粘性越大[5]。。。。。这将对颗粒的流动性爆发倒运的影响。。。。。若是粉末不流动，，，，，，它将不可形成均一和高群集的粉末床，，，，，，因此高流动的漫衍也是很需要的。。。。。与粒度类似，，，，，，颗粒形状也会影响群集密度和粉末流动性，，，，，，不规则的颗粒形状和外貌摩擦会造成粉末床质量的降低(图4)[6]。。。。。

图4 群集密度与相对的颗粒圆度值

一样平常而言，，，，，，叠层增材制造倾向于用圆形金属颗粒，，，，，，差别的手艺所需的颗粒规模差别，，，，，，选择性激光熔融需要的颗粒巨细在15-45um，，，，，，电子束熔融则需要45-106um的颗粒。。。。。因此，，，，，，用于测试粒度和粒形的手艺对证量控制很是有用，，，，，，但挑战依然保存，，，，，，由于为了更好的使用原质料，，，，，，粉末经常被循环使用来构建下一层。。。。。这样做的危害在于一直构建质料的质量下降从而导致了部件的失败。。。。。关于构建时间在2-5天的制造工艺，，，，，，铺张本钱是很高的，，，，，，这会大大损害产品产量的增添。。。。。粉末重复使用的实效模式尚不清晰，，，，，，并且不必的工艺实效行为也差别。。。。。只管云云，，，，，，粉末床的质量和粉体的形貌经常被点到，，，，，，那么怎样表征呢？？？？

用于表征颗粒形貌的测试手艺

在增材制造领域，，，，，，用于测试颗粒巨细和形貌的手艺主要有三种：动态成像手艺，，，，，，静态成像手艺和扫面电子显微镜(SEM)。。。。。区别这些手艺最简朴的方法就是较量收罗的颗粒数目和图像的区分率[8]：

动态图像手艺能够提供最多的颗粒数目，，，，，，但图像质量较量差，，，，，，以是获取不了好的小颗粒形貌和区分颗粒外貌织构；；；；；；

SEM提供最高的区分率和小颗粒外貌形态细节，，，，，，但颗粒数目未几，，，，，，因而只能作为定性手艺；；；；；；

在中心的自新闻态手艺，，，，，，是兼顾区分率和颗粒数目的一个平衡手艺，，，，，，既能用于定性形貌，，，，，，也可以用于定量控制。。。。。

图5 M4的内部结构图

实验与效果

在本次研究中，，，，，，三个金属粉末样品的粒径和粒形被用来剖析。。。。。第一个是未被使用过的原始样品，，，，，，第二个是使用了八次的样品，，，，，，第三个是使用了十六次的样品。。。。。均用M4这项自新闻态手艺，，，，，，每个样品颗粒数抵达100000颗已提供高质量的粒径粒形形貌。。。。。图5是M4的内部结构图，，，，，，包括一个校准光栅，，，，，，自动化的X,Y,Z平台，，，，，，一组镜头和集成的干法疏散单位(SDU)。。。。。M4可提供全自动的一整套SOP功效以确保测试效果的准确性和可重复性。。。。。

每个样品收罗5立方毫米，，，，，，使用高能自动疏散，，，，，，接纳20倍镜头测试和锐利边沿算法。。。。。图6显示了三个样品的D10，，，，，，D50，，，，，，D90的数目漫衍图。。。。。

图6 三只样品的圆当量粒度漫衍图，，，，，，红色是原始粉末，，，，，，蓝色为使用八次的粉末，，，，，，玄色为十六次的粉末

三只样品粒度的中位值都在13um左右，，，，，，小颗粒端有小于1um的颗粒。。。。。显着差别之处在于原始粉末的小颗粒比例显着高于使用了八次和十六次的粉末。。。。。小颗粒比例的降低似乎是循环使用的效果。。。。。小颗粒镌汰有助于粉体的流动性，，，，，，然而群集密度也会降低[9].

进一步的颗粒图片研究发明样品之间的形状差别很大，，，，，，综合使用颗粒的差别参数，，，，，，图7给出了差别形状参数的分类图示。。。。。例如，，，，，，任何高迅速圆度值大于即是0.993并且延伸度值小于0.2的颗粒被界说为高圆度颗粒。。。。。类似的，，，，，，高迅速圆度，，，，，，延伸度值和填实度被用来形貌是否有卫星颗粒等等信息。。。。。

图7 颗粒分类和响应的颗粒示意图

每个类别的颗粒百分比都可以放在数据的多纪录窗口较量[图8]，，，，，，红色为原始粉体效果，，，，，，绿色为使用的八次的粉体效果，，，，，，蓝色为使用了十六次的粉体效果。。。。。

图8 数目漫衍的分级图

这三只样品，，，，，，70%的颗粒都是圆形或者高度圆形的颗。。。。。约莫13%的颗粒为卫星颗粒，，，，，，剩余17%的颗粒在形状上颇为不规则，，，，，，要么显示为长条形或者团圆形。。。。。后两种形状的(卫星和不规则颗粒)颗粒的流动性和群集密度会降低，，，，，，因而会影响3D器件的质量。。。。。然而，，，，，，针对未使用和使用了八次和十六次的粉体并没有在形状上体现出显着的差别，，，，，，效果批注使用了十六次的粉体仍然可以使用。。。。。

结论

使用次数越多，，，，，，增材制造的实效本钱就会越高。。。。。粉末床的质量对部件质量控制尤为主要，，，，，，而粉末床的质量是由金属粉体的颗粒巨细和形貌所控制的。。。。。通过表征这些特征，，，，，，就可能展望出什么时间部件泛起问题，，，，，，从而可以提前阻止这一损失。。。。。自新闻态成像手艺是一个可以提供完全表征出多达10000个颗粒高质量粒径粒形效果的解决计划，，，，，，与动态成像和SEM相比，，，，，，静态成像手艺同时兼顾了定性和定量的控制。。。。。

参考文献：

1.https://wohlersassociates.com/2019report.htm.Accessed April 2020

2.https://www.malvernpanalytical.com/en/learn/events-and-training/webinars/W191022Additive. Accessed April 2020

3. Y.S. Lee and W. Zhang, Mesoscopic simulation of heat transfer and fluid flow in laser powder bed additive manufacturing, 26th Solid Freeform Fabrication Symposium, Austin, Texas, 2015

4. J.P. Bennett & J.D. Smith, Fundamentals of Refractory Technology (Ceramic Transaction Series), Volume 25, 2001

(American Chemical Society)

5. C.N. Davies, Aerosol Science, Academic Press, London and New York, 1966

6. DF. Heaney, Handbook of metal injection molding, Woodhead Publishing, 2012

7. J. Dunkley, Metal Powder Atomisation Methods for Modern Manufacturing, Johnson Matthey Technol. Rev., 2019, 63, (3)

8.https://www.malvernpanalytical.com/en/learn/knowledge- center/whitepapers/WP1803278ReasonsAnalyticalImagingIsBetter.html. Accessed April 2020

9. L. Cordova, M. Campos, T. Tinga, Revealing the Effects of Powder Reuse for Selective Laser Melting by Powder Characterization, JOM, Vol. 71, No. 3, 2019

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