【解析】增材制造用金屬粉末材料的關(guān)鍵影響因素分析

目前， 增材制造技術(shù)成為一項(xiàng)備受關(guān)注的技術(shù)，在航空航天、汽車、生物醫(yī)藥等行業(yè)得到了大力發(fā)展，已成為一種推動(dòng)傳統(tǒng)制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)的重要力量。我國(guó)增材制造技術(shù)近年來(lái)發(fā)展迅速，各種應(yīng)用服務(wù)市場(chǎng)正在逐漸成型， 雖然在部分領(lǐng)域有一定成效，但與國(guó)外相比整個(gè)產(chǎn)業(yè)的技術(shù)儲(chǔ)備不足，增材制 造相關(guān)的核心技術(shù)及專利都被國(guó)外企業(yè)把持 。

目前工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用最為廣泛的依然是金屬材料，使用增材制造技術(shù)來(lái)代替?zhèn)鹘y(tǒng)工藝方法，制造各種傳統(tǒng)加工手段難以加工的金屬零部件是目前增材制造技術(shù)的一個(gè)重要發(fā)展方向。區(qū)別于傳統(tǒng)工藝方法，增材制造技術(shù)對(duì)材料的性能和適用性提出了更高要求，但作為產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)的金屬粉末材料，成為制約我國(guó) 快速發(fā)展增材制造產(chǎn)業(yè)的一個(gè)重要因素。筆者嘗試對(duì)增材制造工藝過(guò)程的影響因素進(jìn)行分析，探討增材制造用金屬耗材的特點(diǎn)，以期為我國(guó)相關(guān)材料的研究提供參考。

１ 金屬增材制造技術(shù)的分類
目前比較成熟的金屬增材制造技術(shù)主要包括選區(qū)激光熔化、激光熔化沉積、電子束熔煉等，每種工藝方法都已有比較成熟的產(chǎn)品供應(yīng)市場(chǎng)。

１．１ 選區(qū)激光熔化
選區(qū)激光熔化（ＳＬＭ）工藝是工件的３Ｄ模型先進(jìn)行分層處理，然后利用掃描系統(tǒng)控制激光束對(duì)待成型區(qū)域內(nèi)的材料進(jìn)行照射，有選擇性地對(duì)金屬粉末進(jìn)行熔融處理。每層切片掃描結(jié)束后，送粉系統(tǒng)用新粉將已成型區(qū)完全覆蓋，不斷重復(fù)這兩個(gè)動(dòng)作，直至完成所有切片的掃描，最終實(shí)現(xiàn)工件的逐層累積成型。

１．２ 激光熔化沉積
激光熔化沉積（ＬＭＤ）也稱作激光直接制造。一般采用較高功率的激光，送料的方式多為同步送粉，直接進(jìn)行層疊式沉積是其最大技術(shù)特色。與傳統(tǒng)制造工藝相比，該方法靈活性高、流程短，可顯著減少成品的成本和時(shí)間。在制備小批量、高價(jià)值金屬零部件等方面有巨大潛力

１．３ 電子束熔煉
電子束熔煉（ＥＢＭ）是在高真空條件下，利用電子束將金屬粉末熔融而成型的工藝方法。真空條件及電子束是ＥＢＭ與ＬＭＤ及ＳＬＭ的主要區(qū)別。利用ＥＢＭ技術(shù)制造的零件致密性好， 強(qiáng)度極高。

２ 增材制造工藝的主要影響因素

雖然實(shí)現(xiàn)增材制造的技術(shù)方法有多種，但加工機(jī)理基本一致，即材料在高能熱源作用下快速融化，由于作用時(shí)間極短，熔融的金屬在基體的冷卻作用下發(fā)生快速凝固，從而實(shí)現(xiàn)在特定的掃描區(qū)域成型。增材制造制品的性能由熱源量屬性、材料特性及工藝參數(shù)所決定，而熱源類型及送粉方式是區(qū)分各種增材制造技術(shù)的最根本因素。

２．１ 熱源
在金屬增材制造領(lǐng)域，應(yīng)用最為成熟的熱源是激光和高能電子束。電子束與激光的工作原理不同，電子束的加熱方式是高能電子穿過(guò)靶材的表面進(jìn)入到距表面一定深度后，再傳給靶材原子能量，從而使靶材原子的振動(dòng)加劇，把電子的動(dòng)能轉(zhuǎn)換為熱能；激光的加熱方式則為靶材表面吸收光子能量，激光并未穿過(guò)靶材表面。材料制造加工過(guò)程中，熱源的功率及掃描速度一般是恒定的，即作用于材料的能量密度是恒定的， 熱源作用效果由材料對(duì)熱源的吸收性能直接決定。材料對(duì)熱源能量的吸收由兩者的作用機(jī)理、材料表面狀態(tài)等因素所決定。對(duì)于最常用的激光熱源， 激光光能的吸收與波長(zhǎng)、被照材料的反射率以及能量密度相關(guān)，在成型過(guò)程中，材料的表面狀態(tài)、 尺寸等因素對(duì)激光都有明顯的制約作用。電子束由于其作用機(jī)理的不同，在增材制造過(guò)程中表現(xiàn)出較激光更加良好的適配性。

２．２ 材料
粉末材料是目前最為常用的金屬類增材制造用材料。金屬粉末作為金屬制件增材制造產(chǎn)業(yè)鏈中最重要的一環(huán)， 也是最大的價(jià)值所在。金屬粉體材料一般用于粉末冶金工業(yè)， 粉末冶金成型是將粉末預(yù)成型后利用高壓高溫條件進(jìn)行最終的定型，整個(gè)過(guò)程中，材料發(fā)生的物理冶金變化相對(duì)緩慢，材料有比較充分的時(shí)間進(jìn)行融合、 擴(kuò)散、反應(yīng)。由于受粉末冶金加工時(shí)溫度及壓力的限制， 為了保證工件的致密性，要求使用的粉體材料盡可能地將成型腔體填充完全。針對(duì)粉末冶金工藝的技術(shù)特點(diǎn)，已經(jīng)發(fā)展出了一套比較完善的粉末評(píng)價(jià)方法及標(biāo)準(zhǔn)， 有相對(duì)比較完善的指標(biāo)可用來(lái)恒量粉體材料的性能，如粒徑、比表面積、粒度分布、粉體密度、流速、松裝密度、孔隙率等。對(duì)于粉末冶金而言， 粉末的流動(dòng)性、振實(shí)密度等指標(biāo)是衡量粉末冶金用粉末材料的重要指標(biāo)。

增材制造工藝與粉末冶金工藝相比有明顯的區(qū)別，粉末材料在熱源作用下的冶金變化是極速的，成型過(guò)程中粉體材料與熱源直接作用，粉體材料沒(méi)有模具的約束以及外部持久壓力的作用。一般認(rèn)為直徑小于１ｍｍ的粉體材料適用于增材制造， 粒徑在５０μｍ左右的粉體材料具有較好的成型性能 。與 粉末冶金工業(yè)相比， 目前國(guó)內(nèi)還沒(méi)有形成成熟的評(píng)價(jià)方法或標(biāo)準(zhǔn)來(lái)判定粉末材料與增材制造工藝的適用性，增材制造用粉末的相關(guān)評(píng)價(jià)方法及指標(biāo)需要進(jìn)一步深入的研究與思考。

２．３ 工藝過(guò)程
圖１為典型的粉體填加方式示意圖�？梢钥闯霾捎娩伔鄯绞綍r(shí)， 熱源優(yōu)先作用于粉末，為保證粉末與已成型區(qū)的冶金結(jié)合充分， 需要確保加工過(guò)程中熔池的深度及尺寸在一個(gè)合理范圍內(nèi)。當(dāng)采用同步送粉方式時(shí)，無(wú)論是同軸送粉還是側(cè)向送粉方式，熱源對(duì)材料的作用分成作用于已成型區(qū)及作用于粉末材料兩部分。粉末在運(yùn)動(dòng)途中被熱源加熱到一定溫度后，在自身動(dòng)能的作用下打入已成型區(qū)域，整個(gè)成型過(guò)程相當(dāng)于相對(duì)高能的粉末材料轟擊熔合區(qū)域的過(guò)程，這種方式較鋪粉方式更有利于提高制品的致密度。

３ 增材制造工藝影響因素綜合分析
使用增材制造技術(shù)加工工件時(shí)，首先要根據(jù)材料的特性選定熱源類型、功率大小及掃描速度等參數(shù)，然后將材料通過(guò)輸送裝置置于加工區(qū)，并在熱源的作用下逐步成型。增材制造過(guò)程是一個(gè)非連續(xù)加工過(guò)程，工藝過(guò)程的穩(wěn)定性、一致性是其成敗的關(guān)鍵。產(chǎn)品加工的穩(wěn)定性、一致性的要求需要由材料、熱源、工藝流程等因素的共同作用才能保證。增材制造過(guò)程中， 一般熱源的類型、功率大小及掃描速度是恒定的， 即加工過(guò)程中材料成型的熱源是穩(wěn)定一致的。加工過(guò)程中，熱源會(huì)同時(shí)與粉末及已成型區(qū)的基體發(fā)生作用，采用鋪粉方式送粉時(shí)，熱源對(duì)粉末的作用更加的直接；而采用直接送粉方式時(shí)，熱源與基體之間的作用會(huì)變得更明顯。

粉末無(wú)論采用哪種方式被置于成型區(qū)，在相同的作用區(qū)域、空間，熱源對(duì)粉體作用總量是穩(wěn)定的。熱源作用于材料時(shí)，受作用機(jī)理以及材料自身狀態(tài)（ 如粒度、球形度、表面狀態(tài)） 等因素的影響。因此，增材制造過(guò)程的穩(wěn)定性最終由材料的穩(wěn)定性、一致性所決定。 材料的一致性越好，加工過(guò)程中材料發(fā)生的冶金變化越穩(wěn)定，這樣才能保證掃描路徑中材料的變化以及最終的性能更加的穩(wěn)定、 一致。對(duì)于粉末材料，性能的一致性不僅包括材料的化學(xué)成分、組織、力學(xué)性能等常規(guī)性能一致，同時(shí)其形貌特征，如粒徑大小、球型度等因素也是重要的指標(biāo)。最理想的增材制造用粉末應(yīng)是粒徑尺寸、 外形一致的。受生產(chǎn)工藝及方法的限制，實(shí)際生產(chǎn)中很難采用完全一致的材料，加工用的粉末一般由多種粒徑的粉末混合而成。為保證加工過(guò)程中的穩(wěn)定性，這種混合粉末在加工過(guò)程中發(fā)生的冶金變化應(yīng)控制在合理的范圍內(nèi)。 假設(shè)增材制造過(guò)程中粉末均為理想球體，熱源能量密度均勻分布，忽略材料外形對(duì)熱源吸收率的影響以及加工過(guò)程中材料的相變等因素。則粉末在成型過(guò)程中被加熱至成型溫度所需的能量為：

式中：ｃ為材料的比熱容；ｍ為粉末顆粒的質(zhì)量；Ｔｐ為理想成型溫度；Ｔｉ為材料初始溫度；ρ為材料密 度；ｄ為粉末直徑。 而成型過(guò)程中，熱源作用于粉末顆粒的有效能量為：

式中：ａ為材料對(duì)熱源的吸收率；Ｐ為熱源功率；Ｄ為熱源直徑；ｖ為掃描速率。 則有： Ｑ供

由增材制造技術(shù)的特點(diǎn)可知， ｋ為常數(shù)。當(dāng)Ｑ供／Ｑ需＝１時(shí)是最理想的加工狀態(tài)， 材料在熱源的作用下即不會(huì)過(guò)熱，也不會(huì)欠熱；而當(dāng)Ｑ供／Ｑ需＞１ 時(shí)，說(shuō)明加工過(guò)程中熱源的供給超過(guò)需求，多余的能量會(huì)將粉末加熱到高于成型所需的溫度；當(dāng)Ｑ供／Ｑ需＜１時(shí)， 說(shuō)明能量的供應(yīng)不足。由于：

粉末直徑越小，在其他參數(shù)相同的條件下， Ｑ供／Ｑ需的比值越大，即能量供應(yīng)過(guò)量幅度越大，越容易在成型過(guò)程中出現(xiàn)過(guò)熱現(xiàn)象。過(guò)度的加熱可能會(huì)造成材料熔融過(guò)度，熔池溫度過(guò)高，熔池內(nèi)金屬液的流動(dòng)情況變得更為復(fù)雜，有可能使金屬液發(fā)生飛濺現(xiàn)象，過(guò)高的溫度更容易使合金元素發(fā)生燒損，甚至?xí)��?dǎo)致元素與保護(hù)氣體發(fā)生反應(yīng)而引入夾雜等問(wèn)題。粉末直徑越小， 比表面積越大，越容易發(fā)生團(tuán)聚現(xiàn)象，團(tuán)聚后的粉末會(huì)大大降低粉末的可輸送性。

金屬熔融后，受表面張力的作用極易發(fā)生球化，由于成型中冷卻速度快， 球化可能會(huì)被完全保留下來(lái)，使得工件的表面質(zhì)量下降，嚴(yán)重時(shí)可以造成加工無(wú)法進(jìn)行。實(shí)際生產(chǎn)中發(fā)現(xiàn)，加工過(guò)程中發(fā)生球化現(xiàn)象的程度隨粉末中細(xì)粉的比例增大而增強(qiáng)。 當(dāng)粉末直徑過(guò)大時(shí)，加熱過(guò)程獲取的能量無(wú)法充分地將粉末加熱至理想成型溫度，這可能導(dǎo)致材料的冶金變化不完全， 影響材料之間的結(jié)合力，使得工件的致密性下降。當(dāng)粉末直徑達(dá)到一臨界值時(shí)，成型過(guò)程將完全無(wú)法進(jìn)行。由函數(shù)的變化規(guī)律可知，在以ｄ０為中間的相鄰區(qū)域內(nèi)，函數(shù)的變化較為平緩，此時(shí)能量的供給與需求之比偏離理想狀態(tài)相對(duì)較小，這利于保持增材制造過(guò)程的穩(wěn)定性。由此可推知，增材制造用的粉末材料粒度分布應(yīng)在一個(gè)比較窄的范圍內(nèi)。這與目前增材制造用粉的粒度一般在２００～５００目的實(shí)際情況相符合。

４ 結(jié)論
（１ ）增材制造是一種新興的成型技術(shù)，而材料是制約增材制造工藝廣泛應(yīng)用的主要因素。
（２ ）增材制造用粉末材料與粉末冶金用粉末材料在本質(zhì)上沒(méi)有區(qū)別，但其粒度分布要求更為嚴(yán)格，需控制在一個(gè)較窄的范圍內(nèi)。
（３ ）增材制造用粉末的粒徑、粒度的分布由熱源類型、成型參數(shù)所決定。

編輯：南極熊
作者：范立坤 （上海材料研究所上海市工程材料應(yīng)用評(píng)價(jià)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室）

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