金属粉末粒度分析测试-激光衍射法测定

金属粉末粒度分析测试-激光衍射法测定 

自2021年6月1号起，GB/T 39251-2020《增材制造  金属粉末性能表征方法》等14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，检测项目主要包括：外观质量、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。

马尔文帕纳科作为材料表征领域的专家，其先进的分析检测技术为增材制造行业提供粒度、粒度分布、颗粒形貌等贯标解决方案。涉及技术及仪器包含：

ü  激光衍射法：Mastersizer3000超高速智能激光粒度仪

ü  动态图像法：HydroInsight 智能颗粒图像分析仪

ü  静态图像法(显微镜法）：Morphologi-4 全自动粒度粒形分析仪

一、粒度及粒度分布检测的必要性

为什么增材材料要对粒度及粒形分布进行检测呢？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，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，直到制造过程完成。未熔融粉末将被去除，并根据其状态重复使用或回收。

粉末层增材制造工艺的效率和成品组件的质量在很大程度上取决于粉末的流动性和堆积密度。粒度会直接影响这些特性，是该工艺的关键技术指标，例如，对于选择性激光熔融工艺（SLM），zuijia粉末粒度在 15-45μm；而对于电子束熔融工艺（EBM），zuijia粉末颗粒则应在 45-106μm（对于 EBM）范围内。

图1 层叠增材制造工艺的粉末床工艺图

图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Zui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。

粉末的堆积密度是由颗粒大小和形状控制的。如图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Zui优时，填充密度Zui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zuijia值。

图2 堆积密度和颗粒大小的关系

为了保证厚度的均一，通常会选择较窄的粒径分布。颗粒的填充和流通性对于金属粉末3D打印技术非常重要，这也是我们为什么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。

堆积密度会影响熔融池的连续性，较低的堆积密度会导致熔融不连续，完成件表面粗糙，导致结果的一致性降低。

图3 堆积密度影响的熔融池分析

如图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，生产出表面光滑、结构稳定的完成件。

二、新国标中的粒度及粒度分布的相关指标

2021年6月1日开始实施的系列标准中对于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：

ü  GB/T 38970-2020《增材制造用钼及钼合金》

ü  GB/T 38971-2020《增材制造用球形钴铬合金粉》

ü  GB/T 38972-2020《增材制造用硼化钛颗粒增强铝合金粉》

ü  GB/T 38974-2020《增材制造用铌及铌合金粉》

ü  GB/T 38975-2020《增材制造用钽及钽合金粉》