國內外增材制造SLM用TC4金屬粉末工藝性能研究

俞俊鐘

摘 要：金屬粉末是決定增材制造成型件質量的關鍵因素之一。本文對TC4金屬粉末的不同參數對成型件的影響作了分析，并對國內外增材制造用TC4金屬粉末的各項性能進行了綜合對比分析，以期為我國增材制造行業提供數據參考。

關鍵詞：增材制造 TC4金屬粉末 性能研究

中圖分類號：TG665 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2018）09（c）-0089-02

增材制造是推動制造業升級的重要技術之一，TC4作為研究最廣泛的鈦合金，是目前眾多增材制造方法中的研究熱點[1]。在“《中國制造2025》重點領域技術路線圖”中，增材制造用材料被明確提出作為重點發展的方向，其具體的技術發展戰略方向是：低成本鈦合金粉末滿足航空航天3D打印復雜零部件用粉要求，低成本鈦合金粉末成本相比現有同等鈦合金粉末降低50～60%。在工信部等部委聯合發布的“增材制造產業發展行動計劃（2017-2020年）”中，提出了提升金屬增材制造材料質量的重點任務：研究金屬球形粉末成形與制備技術，開發空心粉率低、顆粒形狀規則、粒度均勻、雜質元素含量低的高品質鈦合金金屬粉末。

1 SLM用TC4金屬粉末的不同參數對成型件質量的影響

TC4金屬粉末作為SLM成形工藝的主要原材料，其工藝性能對SLM成型件質量具有顯著的影響。在實際生產過程中，許多操作過程均涉及到粉末的存儲、運輸、供給、混合以及填充等步驟，在這些操作步驟中，粉末材料的工藝性能必須達到一定的標準。目前，增材制造領域提出將粉末的流動性作為檢測粉末材料工藝性能的一項重要指標，而粉末材料流動性受到諸多其他指標的影響，如松裝密度、流動性、球形度、粒徑分布、空心粉、夾雜、微量元素[2-3]。因此，對SLM工藝用TC4金屬粉末材料工藝性能的研究需要從多個指標進行。

1.1 松裝密度

松裝密度反應了鋪粉時的緊密堆積程度，關系到成形件的致密度。

1.2 流動性

TC4粉末的流動性波動范圍大、流動性差的粉末容易出現鋪粉不均一，導致成形件內部和表面產生缺陷。

1.3 顆粒粒形

限于目前金屬粉末霧化工藝，金屬液流被霧化噴嘴產生的高速脈沖氣流擊碎并凝固形成微細粉末顆粒時，粉末顆粒并不完全是球形，存在棍狀、橄欖核狀、衛星粉等形貌。

1.4 粒徑分布

不同粒徑的粉末完全熔化需要的激光能量不同，因此粒徑分布越窄越好，保證粉末對激光的能量的均勻吸收。此外，較細的粉末顆粒在使用過程中可能會分散于空氣中，因此操作設備時需要通過凈化裝置控制空氣中粉末的濃度，避免被人體吸入，難以排出，影響呼吸功能和身體健康。

1.5 空心粉和異質夾雜

空心粉和夾雜對材料品質是一大挑戰，空心粉的存在會導致成型零件中殘留氣孔，甚至經熱等靜壓后此類孔洞也難以消除，對零件力學性能特別是疲勞性能帶來嚴重影響；空心粉導致的空氣夾帶，則會直接影響材料成分和打印的穩定性。夾雜會導致材料機械性能降低等問題。限于目前的生產工藝，生產過程中工序較多，各環節操作不規范極易引入雜質。

1.6 微量元素

“氧氮氫”這幾類微量元素對打印過程存在不良影響，其含量需要嚴格控制。在制粉工藝過程中，尤其要注意“氧、氮”微量元素的控制。

2 國內外SLM用TC4金屬粉末性能對比及建議

2018年，無錫市產品質量監督檢驗院（國家增材制造產品質量監督檢驗中心）根據近年來增材制造SLM用TC4金屬粉末的抽查和委托性檢驗數據進行了對比分析，研究了國內金屬粉末質量與國外同類產品的差異和存在的問題。

2.1 松裝密度低于國外同類產品，影響打印成形件的致密度

國內外粉末的松裝密度值都比較均一，國外粉末稍好，鈦合金TC4的分別為：2.33g/cm3、2.55g/cm3，差異不大；國內外TC4粉末松裝密度數據的方差為0.18、0.21，二者相比無明顯差異。金屬粉末通過篩選的方式，按不同的粒徑進行分級匹配，混合出符合打印要求的粉末材料。松裝密度與不同粒徑粉末級配有直接關系，在保證樣品粒徑分布符合打印要求的前提下，盡可能提高粉末的松裝密度。

2.2 流動性一致性差，難以保證鋪粉的均勻性

國產TC4粉末的流動性為35.1（s/50g），方差為5.3；國外TC4粉末的流動性為26.8（s/50g），方差為0.7。可以看出，國內TC4粉末的流動性略低于國外TC4粉末，但國產TC4粉末的波動性較大，流動性一致性低于國外。流動性差的粉末容易出現鋪粉不均一，導致成形件內部和表面產生缺陷。氣霧化法制備的金屬粉末顆粒會存在不規則形狀，如衛星球、長條形等，通過合理的篩選方式，盡可能保證粉末材料中的粉末顆粒形貌都是球形，提高粉末流動性。

2.3 顆粒粒形不規則，影響粉末流動性

國產TC4粉末的球形度為0.89，國外TC4粉末的球形度為0.91，二者差別不大，國內外TC4粉末的球形度測試數據的方差分別為為0.05、0.03，相差不大。對于SLM工藝，在鋪粉過程中，粒形較差的粉末之間可能相互搭接，極易形成局部團聚，流動性不暢，直接導致打印粉層不均勻，影響成形件致密度，導致成形件報廢。

2.4 粒徑分布范圍不一致、波動性大，不符合工藝對應要求

國內生產TC4的粒徑分布基本上與國外粉末差別不大，國內外TC4粉末粒徑分別在25-60μm之間、23-55μm之間。但是國產TC4粉末粒徑數值波動較大，一致性沒有國外TC4粉末粒徑分布好。粒徑分布與松裝密度存在一定的沖突，粒徑一致則堆積時孔隙較多，需要更小粒徑的粉末來填充空隙增加松裝密度，但會導致粉末材料的粒徑分布較寬，不利于激光熔化成形，因此廠家需要通過多次實驗，合理分配粒徑分布與松裝密度的關系，使成型效果最佳。

2.5 普遍存在空心粉和異質夾雜情況，影響成形件質量

國內外TC4粉末的空心球率相差無幾，且波動不大：國產TC4粉末的空心球率為0.25，國產TC4粉末的空心球率為0.26；方差均為0.2。但是國產TC4粉末中的夾雜率明顯高于國外粉末。生產廠家應從源頭上采取相應措施，降低粉末的夾雜率。

2.6 微量元素含量超標，影響成形件性能

對氧指標的一般要求在1500ppm以下，氮含量指標一般要求在500ppm以下。國內外增材制造用TC4金屬粉末的微量元素均不存在超標的問題，但是國產粉末中的微量元素含量波動較大，一致性低于國外粉末。

3 結語

增材制造作為制造業有代表性的顛覆性技術，對傳統的工藝流程、生產線、工廠模式、產業鏈組合發生了深刻的影響，已經成為新一輪科技革命和產業變革的重要驅動力之一，具有廣闊的市場前景和發展空間，尤其是金屬增材制造方面，世界各主要國家紛紛將其作為未來產業發展新的增長點。金屬粉末作為增材制造的源頭，其質量決定了最終成型件的性能。通過開展增材制造用金屬粉末的質量評估，對比國產TC4粉末與國外TC4粉末的質量，認清其中的差距與不足，有助于國內生產廠家提升自身生產質量，同時促進我國增材制造行業的健康發展。

參考文獻

[1] 楊海歐，王健，王沖，等.電弧增材制造TC4鈦合金宏觀晶粒演化規律[J].材料導報，2018，32（12）：2028-2031，2046.

[2] 李禮，戴煜.淺析激光選區熔化增材制造專用粉末特性[J].新材料產業，2018（1）：56-60.

[3] 樂國敏，李強，董鮮峰，等.適用于金屬增材制造的球形粉體制備技術[J].稀有金屬材料與工程，2017（4）：1162-1168.