新标准图文解析-增材制造金属粉末性能表征方法

  项推荐国家标准开始实施！该标准主要规范了金属粉末性能的表征方法，检验测试的项目最重要的包含：外观品质、化学成分、粒度及粒度分布、颗粒粒形、流动性、密度、夹杂物及空心粉。

  为什么增材材料要对粒度及粒形分布进行仔细的检测呢？这是因为其工艺性质决定的。增材制造是在金属粉末层熔融过程中，先使金属粉末层分布于制造平台上，然后使用激光或电子束选择性地熔化或熔融粉末。熔化后，平台将被降低，并且过程将持续重复，直到制作的完整过程完成。未熔融粉末将被去除，并根据其状态重复使用或回收。

  SLM），最佳粉末粒度在15-45 μm；而对于电子束熔融工艺（EBM），最佳粉末颗粒则应在45-106 μm（对于EBM）范围内。

  1展示了SLM工艺中金属粉末床如何形成和扫描激光金属形成2D形貌。持续不断的新的粉末床为最终的3D金属部件提供原材料。金属部件的结构一致性和完成件的表面平整度与粉末的化学特性和堆积密度息息相关。

  2，粉末中大颗粒过多降低填料的密度，而小颗粒过多则降低填料的流动性。只有当大颗粒和小颗粒比例最优时，填充密度最大，大颗粒中的小空隙被小颗粒填满，流动性和堆积密度达到最佳值。

  3D打印技术很重要，这也是我们为何需要优化粒度及其分布，以实现所需的大颗粒和小颗粒的比例，这点非常重要。

  3所示，粉末床在于激光接触时的熔融池模拟图像，熔融池的温度与粉末的组分和由堆积密度控制的熔融池的连续性直接相关，如果堆积密度高，就会形成一个连续的熔融池，生产出表面十分光滑、结构稳定的完成件。

  年6月1日开始实施的系列标准中对各种金属粉末的粒度及粒度分布，做了具体的推荐要求，涉及金属粉末粒度分析的标准如下所示：

  6月1日施行的GB/T39251-2020等6项国家标准中，推荐是使用激光衍射法，具体标准参考GB/T 19077。这是因为激光衍射法且具备样品用量少、制备简单、测量速度快、重现性好等优点，除此之外，激光衍射发广泛适用于所有增材制造用金属粉末的粒度分布检测，该技术测试覆盖范围宽（马尔文帕纳科激光粒度仪测量范围达到0.01μm ~3500μm，完全覆盖增材制造业金属粉末的粒径范围）。

  ----特别是面对较小的粒度范围时。 在激光衍射测量中，激光束穿过分散的颗粒样品，测试散射光强度的角度变化。因为较大的颗粒有较小的角度和较大的散射光强，而较小的颗粒则有较大的角度和较小的散射光强。激光衍射分析仪运用米氏理论，根据所测量的散射光的角度依赖性来计算样品颗粒的粒度分布。

  Mastersizer 3000超高速智能激光粒度仪高度自动化，可实现按钮操作，并且只需很少的手动输入即可提供高产量分析，并且有十分普遍的动态范围0.01至~3500 µm，可以精确测量金属粉末的粒径分布。并且还可以很容易的在干法和湿法之间切换，测试金属粉末湿分散和干分散的粒径大小。

  6显示了在Mastersizer 3000上使用湿法和干法分散制备的金属粉末的测量结果，能够正常的看到湿法和干法结果一致。其实，如果优化了分散程序且采样具有可比性，干湿法应具有等效结果。从趋势表也能够准确的看出，干法和湿法结果一致性非常好。从GB/T39251-2020《增材制造 金属粉末性能表征方法》中，关于金属粉末粒度要求来看，这应该属于I类金属粉末材料，适用于粉末床熔融（选区激光熔融）增材制造 。

  ü动态图像技术：能够给大家提供很多的颗粒数量，但图像质量较差，对于小颗粒的形貌还有区分颗粒的表面结构，较为困难；

  Hydro Insight动态颗粒图像分析仪采用高速高分辨率摄像机实时采集动态颗粒图像，搭配Mastersizer 3000超高速智能激光粒度仪能够给大家提供颗粒的分散和单个颗粒实时的图像，并能定量测试样品的分布数据，还有32个尺寸和形状的相关指标，如圆度、椭圆图、不透明度、平均直径、长宽比，能够在一定程度上帮助了解颗粒的大小和形状是怎么样影响了材料的性能。方便您更好地了解您的材料，简化故障排除，并助力快速开发新方法。

  Hydro Insight动态颗粒形貌分析仪可以对单个颗粒进行成像，并提供数量分布，并能看到颗粒的形貌。让我们看到这些大颗粒是否真实存在，以及它的外观，是高度球形的颗粒，卫星颗粒还是高度不规则的颗粒。

  Morphologi 4全自动粒度粒形分析仪，用于测量从0.5微米到数毫米的颗粒粒度和形状。使用伸长率、圆度、凸度等参数报告形状信息，以量化颗粒不规则性和表面粗糙度。与手动显微镜和电子显微镜相比，自动成像更高效，可提供数万颗粒的统计数据。

  全自动粒度粒形分析仪粒度测量范围从0.5μm到1300μm，采用整体式干粉分散装置，优化的显微镜光学器件和高信噪比CMOS相机，从样品分散到结果分析，均实现自动化SOP控制。

  80-95%的金属粉末在增材制造的整个周期中都没用，昂贵的金属粉末回收利用也是增材制造业中的关注重点。

  粒度粒形分析仪对原始粉末和使用多次后的粉末进行仔细的检测，为您揭示回收粉末材料与原始粉末的细微差异，进一步解析造成粉体流动性和堆积密度不同的原因。

  图12钛合金球形度分析统计结果，红色为原始粉末，绿色为使用8次的粉末，蓝色为使用16次的粉末

  图13样品的圆当量粒度分布图，红色是原始粉末，蓝色为使用8次的粉末，黑色为16次的粉末

  马尔文帕纳科的使命是通过对材料来化学、物性和结构分析，打造出更胜一筹的客户导向型创新解决方案和服务，来提升效率和产生可观的经济效益。 通过利用包括AI和预测分析在内的最近技术发展，我们也可以逐步实现这一目标。 这将让各个行业和组织的科学家和工程师可解决一系列难题，如最大限度地提高生产率、开发更高质量的产品，并缩短产品上市时间。

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