對水霧化和氣霧化低合金鋼粉末進行增材制造的對比研究

來源：江蘇激光聯(lián)盟

本文研究了水霧化和氣體霧化低合金鋼粉末激光加工的差異，重點研究了增材制造中粉末的行為和性能。測量了材料的包裝密度，建立了粉末包裝和軌道形成之間的關系。結果表明，水霧化粉末的軌道高度比氣體霧化粉末的軌道高度低15%。利用高速成像技術觀察材料在激光照射下的行為，分析粉末粒子的運動。結果表明，水霧化粉末具有機械聯(lián)鎖的傾向，因此顆粒夾帶較少。研究了粉末飛濺和熔池不穩(wěn)定性的發(fā)生。更頻繁的飛濺噴射被認為是由于水霧化粉末中的氧氣量更高。

圖形摘要

本文比較了水霧化(WA)和增材制造(AM)、氣體霧化(GA)兩種粉末，重點研究了激光粉床熔合(LPBF)的過程動力學和粉末行為。AM由于其比傳統(tǒng)的制造方法有許多優(yōu)點，最近引起了廣泛的關注。這些包括設計的自由，材料重量的減少，更短的交貨時間和制造完全密集的零件，非常復雜的幾何形狀。LPBF是目前AM的主要工藝之一，以粉末為原料，逐層生產(chǎn)零件。然而，除了有一些優(yōu)勢之外，該技術也有一些局限性。主要的工藝限制之一是制造成本。

SLM工藝中的材料固結與傳統(tǒng)鑄造工藝不同，傳統(tǒng)鑄造工藝中的熔化-凝固機制主要依賴于快速的溫度變化、重力效應和熔體對流，而無需外加壓力。上圖顯示了在一個典型的SLM過程中，當激光束通過并撞擊在堆積過程中沉積的粉末顆粒時發(fā)生的熱-機械反應。

金屬的LPBF起源于粉末冶金(PM)和激光熔覆界，粉末用于制造高密度、耐磨和精密的零件。關于那些技術的現(xiàn)有知識創(chuàng)造了基礎，但不覆蓋AM的所有方面。許多類型的粉末適用于LPBF，包括不銹鋼，鋁，鈦和鎳合金。然而，這些材料組成最初是為鑄造和機加工而開發(fā)的，其中涉及的物理機制略有不同。氣體原子化和等離子體原子化(PA)粉末由于其化學純度和接近球形的形狀，使材料更容易在粉末床上分布，便于激光加工。

對流使來自不同區(qū)域的液態(tài)金屬混合，增強了熔池內(nèi)的熱量傳遞，如圖所示。循環(huán)方式對合金液中的溫度分布、升溫和冷卻速度、凝固方式以及合金組織和性能有重要影響。

氣體霧化工藝的生產(chǎn)能力相對較高，能夠制造具有廣泛粒徑分布的粉末。LPBF的目標PSD通常是通過從用于PM的一批生產(chǎn)中篩出粉末來實現(xiàn)的。這導致滿足AM要求的原料產(chǎn)量有限。等離子體霧化主要用于生產(chǎn)高純活性粉末材料。

本文在熔融池的形成、顆粒行為和剝蝕、飛濺產(chǎn)生和材料性能等方面進行了許多研究工作。低氧含量、優(yōu)異的流動性和高表觀密度解釋了人們對這些材料的興趣，因為這些特性決定了過程的效率。過程效率也受粉末輸送機制的控制，這主要取決于LPBF系統(tǒng)的特性，并且不同的機器供應商不同的。

噴射剖面(特別是角度和速度)對飛濺分布至關重要的原因是，它們在初始噴射時的慣性可能會對最終沉積位置產(chǎn)生影響。上圖顯示了粒子的軌跡如何從氣流中延伸。例如，對于質(zhì)量和大小相同的粒子，那些以高速度和大角度噴射的粒子將具有高動能，在沒有氣體流動的情況下轉化為更高的軌跡。

作為一種替代方案，水霧化粉末顆粒形態(tài)不規(guī)則，氧濃度略高。這是由于在霧化過程中更快的冷卻和凝固速度，以及使用水將金屬流分解成粉末。然而，通過調(diào)整霧化過程、改變生產(chǎn)路線或在工藝鏈中加入后處理程序，可以修改產(chǎn)生的形貌。

Boisvert等人進行了一項研究，在霧化之前對熔體進行鎂處理，以改善WA粉末的形狀。該技術創(chuàng)造了促進形成更多球狀粒子的條件。形狀的改善是由于鎂的存在增加了熔體的表面張力。Schade等人描述了一種專門用于AM的WA粉的制造工藝。該工藝通過使用高壓水霧化(HPWA)生產(chǎn)細WA粉末，然后從獲得的粉末中去除不規(guī)則顆粒。雖然上述方法證實了改變WA粉末形狀的可能性，但實現(xiàn)更球形的粉末會增加制造成本。

當采用不同的霧化技術時，材料的性能往往會發(fā)生變化。根據(jù)Li等人的研究，樣品使用GA粉與WA粉相比有更少的孔隙率。由于氧含量較低，材料的包裝密度較高，使得GA粉末結構致密。粉末堆積密度是LPBF的一個重要特性，它描述了粉末顆粒在一定體積內(nèi)的排列，它們之間的空隙最小。分析了幾個因素，如粒度分布(PSD)，流動性，形態(tài)，表面化學和顆粒間力決定填料的行為。

一般來說，具有較寬PSD的粉末表現(xiàn)出較高的包裝密度值，因為材料中的細顆粒能夠填充相鄰的、較大的顆粒之間的空隙。在AM的大多數(shù)原料材料來與一個狹窄的PSD和接近球形的形狀，以確保均勻和容易的顆粒蔓延在粉床上。因此，LPBF的平均充填密度不超過60%。

對GA和WA粉末進行了一些研究，以研究它們在激光照射下的行為。irinki等人報道了17-4PH不銹鋼WA和GA粉末在LPBF中的應用研究。結果表明，與加工GA材料相比，WA粉的致密化需要略高的激光功率。鋁粉的低力學性能與高氧、高硫有關，這也改變了熔池的表面張力和Marangoni流動。Durejko等人對用激光工程凈整形(LENS)技術制造的WA和GA鐵粉進行了研究。研究表明，用WA粉制備樣品是可行的。作者報告說，在研究中作為參考材料的GA粉末顯示出與WA粉末相似的孔隙數(shù)量。

目前的文獻綜述表明，由于GA粉的特點，LPBF一般采用GA粉作為原料，滿足AM的要求。這種材料的制造成本較高，生產(chǎn)收率有限。另一方面，WA粉性價比高，可以部分替代廣泛使用的GA粉。文獻只提供了成本差異的適應癥。然而，某些缺點，如不規(guī)則的形狀，粉末分布在構建平臺和降低表面質(zhì)量的最終組件阻礙材料的應用在AM。通過改善WA粉末的形狀和研究其在LPBF中的行為，可以使該材料在AM中找到自己的生態(tài)位。然而，還需要進一步的研究來獲取更多關于其行為的知識，并最大限度地提高這種材料的應用潛力。

今天，GA粉主要用于粉末冶金等應用，只有一小部分細粉被篩選出來用于AM (LPBF)。由于粉末是為不同的目的同時生產(chǎn)的，成本計算包含許多不確定性。一個本質(zhì)的區(qū)別是，氣體霧化需要氮氣或氬氣作為昂貴的氣體，而水霧化使用水將熔融分解成液滴。目前，這是WA粉有潛力比GA粉更具成本效益的主要指標。用等離子體霧化生產(chǎn)單獨用于AM的粉末是另一種技術，盡管更昂貴和效率更低。

上圖用于確定單個粉末層的包裝密度a。當制造最后一層時，只有它的邊緣是熔融的。所有留在標本上的粉末都被小心地提取出來并密封在預先稱重過的塑料袋中。然后測量帶有粉末的塑料袋的重量，計算出粉末凈重。包裝密度的計算方法是將粉末的體積(重量除以材料的密度)除以提取粉末的體積。

本文研究了水霧化和氣體霧化低合金AISI 4130鋼粉末的過程物理差異，重點研究了粉末粒子動力學和激光輻照下粉末行為。該材料的組成和性能是全新的AM。該粉末具有良好的機械性能和耐腐蝕性能，同時具有相對較低的生產(chǎn)成本，這使其具有在AM中使用的吸引力。本文采用高速成像(HSI)技術，實現(xiàn)了對粒子動力學的觀測。實驗采用相同粒徑范圍的WA和GA粉末進行。研究了粉體的化學性質(zhì)和形貌對工藝行為的影響。

2. 材料和方法
2．1． 原料的特點
采用Höganäs AB公司提供的20-53 μ m的AISI 4130低合金鋼氣、水霧化粉末進行了實驗研究。除了形貌上的差異外，化學成分也因霧化過程而不同。采用電感耦合等離子體質(zhì)譜(ICP-MS)分析粉末的化學成分。用惰性氣體熔合法測定氧和氮。用燃燒分析法測定硫含量和碳含量。結果如表1所示。

表1 GA和WA低合金鋼粉末的化學成分(wt%)。

每種粉末的粒度分布通過Sympatec Helos激光衍射法進行評估。使用FEI Magellan 400超高分辨率掃描電子顯微鏡測定顆粒形態(tài)�；魻柫髁坑嬄┒贩ǎ↖SO 4490）用于測量粉末的流動性和表觀密度。相對密度計算如下：

ρ視密度是物質(zhì)的視密度(即粉末質(zhì)量除以其體積，g/cm3);ρ理論是物質(zhì)的理論密度(即散體物質(zhì)的密度，g/cm3)。得到的值如表2所示。

表2 GA和WA AISI 4130低合金鋼粉末的工藝性能。

2.2. 單軌激光加工

粉末被預先放置在一個270英寸的平臺上 × 250 × 2. 在LPBF實驗裝置中，使用傾斜7°的連續(xù)波IPG Yb光纖激光器制作單軌的mm不銹鋼基板。激光波長為1070 納米，激光束光斑為75 在焦點處為μm。光學元件由一個250毫米的透鏡組成毫米焦距準直器和150毫米毫米焦距聚焦透鏡。

在整個實驗過程中，設置并保持以下參數(shù)不變：250 W激光功率，3 m/min掃描速度，100 μm粉末層厚度（h，μm），1 軌道之間的填充間距為mm。事先測試了各種速度-功率組合，以選擇適用于兩種材料且無任何成球、氧化等的速度-功率組合。氬在大約18℃時用作保護氣體 l/min，以維持層流。氣管（直徑為20 mm）局部放置在加工區(qū)域上方，以防止氧化。在制備階段對裝置進行了測試，以確保不會因氣流而對粉末床造成干擾。較高的氣體速率值導致湍流的產(chǎn)生，而較低的氣體速率值可能會促進激光衰減，因為飛濺物沒有完全從處理區(qū)域中清除。

從熔池噴出或被氣流吹走的飛濺物收集在不銹鋼板（150）上 × 250 × 2. mm）在粉末床后面�；蛘撸瑢嶒灴梢栽诔錆M保護氣體的密閉室中進行。上述設置更適合于使用HSI觀察和研究現(xiàn)象。局部放置氣流的存在也有利于收集飛濺物進行進一步評估的實驗。在構建平臺上攤鋪粉末時，發(fā)現(xiàn)粉末流動性存在一定差異。雖然WA粉末在實驗之前進行了形狀處理，以使顆粒圓整并改善流動性，但需要更多的努力才能達到與GA粉末相似的材料分布水平。

已知水分含量會影響粉末在粉末床上的鋪展以及后續(xù)加工。為了確保原料不會因運輸和儲存條件、流動性（水分含量的良好指示器）而受到粉末中水分的影響在激光加工之前測量粉末的質(zhì)量，其值與供應商提供的粉末質(zhì)量證書中給出的值相似。

本研究旨在研究不同形貌粉末材料之間的粉末運動行為以及與激光加工相關的差異。工藝參數(shù)（掃描速度、激光調(diào)制等）和條件（氣體輸送、粉末撒布等）可能因機器供應商而異。

一般來說，商用LPBF系統(tǒng)的掃描速度高于本工作中應用的掃描速度，且該過程在充滿氬氣的腔室中進行。這里使用了開放式線性軸激光系統(tǒng)，盡管速度限制較低，但提供了更大的實驗靈活性，包括高速成像和飛濺收集。然而，所研究的方面仍然是本對比研究的代表，因為其目的是了解相同等級GA和WA粉末的粉末行為差異。

2．3. 高速成像分析
本研究使用了一臺Photron FASTCAM Mini UX100高速成像相機來檢測和識別WA和GA粉末的顆粒行為差異。CAVITAR提供了兩種照明激光器CAVILUXCW(光纖耦合輸出，連續(xù)波功率為50 W，波長為810 nm)，用于錄制高質(zhì)量視頻。為了去除過程光，在相機鏡頭上應用了一個窄帶通濾光片。這些視頻是利用遠程顯微鏡以不同幀率錄制的;INFINITY型號K2, CF-2物鏡，放大率3.5倍。圖1展示了實驗設置，相機傾斜24°垂直于處理區(qū)域。

圖1 實驗裝置，顯示處理和飛濺收集區(qū)域。氬管位于粉末床上方，與激光束方向相同。攝像機垂直于處理區(qū)域傾斜24°。

2.4. 軌道高度和面積的確定
為每種粉末類型制造了60個單軌樣品。測量形成的珠子的高度和面積。樣本沿著軌道（在開始、中間和末端）的幾個位置被切割，以識別軌道長度的變化。利用光學立體顯微鏡尼康SMZ1270測量軌道高度（H，μm）。使用ImageJ程序確定軌道橫截面的面積。對兩種粉末獲得的值進行平均并進行評估，以研究軌跡大小的差異。

3.結果和討論
3.1. LPBF過程中粉末形態(tài)對原料性能的影響
粉末形態(tài)直接影響AM原料的性能。因此，正確理解粉末形狀在LPBF過程中的作用非常重要。本研究中使用的粉末在形態(tài)上有所不同，從GA粉末的近球形到WA的卷曲狀（圖2a，b）。WA鋼粉末在交付前由供應商進行機械處理，以改善其流動性和表觀密度，因為這些特性對后續(xù)加工至關重要。圖2b顯示由于形狀改性處理，WA粉末具有稍高數(shù)量的細顆粒。

圖2 GA (a)和WA (b)低合金鋼粉末的形貌。

表2突出顯示了兩種材料的技術性能。相對密度用于表征粉末的堆積密度。通常，使用非球形顆粒時，任何給定粉末系統(tǒng)的填充效率都會降低。這一結論在本研究獲得的結果中得到了證實，導致GA和WA粉末的相對密度差異為18%（分別為53%和44%）。理論上，材料中細顆粒的存在應通過填充較大顆粒之間的空隙來提高堆積密度。然而，獲得的WA堆積密度結果沒有顯示出任何顯著的改善，即使初始粒度分布與GA相比有更多的小顆粒�？梢杂^察到（圖3a，b）WA粉末平均粒度D50稍低（D50 = 37.5 μm）與GA粉末（D50）相比 = 42.5 μm）。

圖3 GA和WA低合金鋼粉末的密度q3 (a)和累積q3 (b)粒徑分布。

此外，WA粉末具有較高數(shù)量的細顆粒（D10） = 19 μm）與GA粉末（D10）相比 = 26.5 μm）。D10表示對應于10%累積尺寸不足粒度分布的粒徑。這可歸因于WA粉末中顆粒間摩擦的增加，阻止細顆粒到達相鄰顆粒之間的空隙。粉末顆粒與附近的材料表面相互作用，形成機械接觸。

制造WA粉末的目的是使其盡可能與GA粉末相似。在化學、粒度分布和形態(tài)上仍存在一些差異。由于LPBF過程的復雜性，這些差異是否會影響該過程并具有相關性并不明顯。因此，開展了本研究。當比較粉末時，可以預期過程行為的差異，這與最終構建的屬性相關。這些差異包括加工效率、粉末摻入和粉末床的降解，這些差異通過飛濺物落在粉末床上和粉末回收影響進一步加工。

3.2. 激光加工過程中粉末的運動行為

圖4顯示了GA（a）和WA（b）粉末在熔池周圍的移動行為。箭頭表示粉末流動區(qū)域，突出顯示GA粉末的更好流動性（圖4a）。虛線（圖4a，b）顯示了熔池區(qū)域、激光束的位置以及粉末床上受激光照射影響的區(qū)域。

圖4 GA (a)和WA (b)粉末的粉末移動行為。圖(a)和圖(b)中的箭頭表示粉末的移動方向，GA粉末顆粒的移動更大。示意圖顯示了粉末相互作用和運動的差異，(a)突出顯示GA圓形顆粒的自由流動，(b) WA粉末的機械聯(lián)鎖。曝光時間為20 μs。

激光加工不同形貌的粉末時，工藝條件至關重要。粉末形態(tài)通過與激光束的相互作用間接形成熔池的前端。粉末表面積的大小決定了與激光束的相互作用區(qū)域。根據(jù)顆粒進入熔體池的軌跡，它為熱域的啟動和進一步向熔體后部分布創(chuàng)造了不同的條件。圖5顯示了一系列的幀，突出顯示了使用GA (a)−(d)和WA (e)−(h)粉末時的過程動態(tài)。

圖5 當使用GA (a) - (d)和WA (e) - (h)粉末時，熔池-粉床相互作用�？煺罩械募�頭說明了粉末顆粒的軌跡。用黃色突出顯示的粒子是從粉末床分離出來的蒸汽夾帶粒子。紅色標記的噴出物是來自熔體池的反沖驅動飛濺物。白色虛線表示融化池區(qū)域。一個80 × 80像素大小的區(qū)域突出了熔化池的前面區(qū)域，以便觀察粉末的移動和分離。兩種材料的視頻都是以16000幀/秒的速度錄制的。

當激光束穿過粉末床時，它將粒子帶到激光束的前面和周圍。此外，位于激光路徑后面兩側的粒子也被吸引到激光-粉末相互作用點，這很可能是由于熔池蒸發(fā)產(chǎn)生的蒸汽壓梯度。這意味著氬氣流動對附著在粉末床上的顆粒的影響很小。當熔體池的溫度超過汽化溫度時，就開始汽化，從而通過熔體噴射去除材料。這導致了反沖驅動飛濺的產(chǎn)生(圖5a, b, e, f, g, h)。

來自熔體池的金屬蒸汽誘導氣體向內(nèi)流動，相對于掃描方向向上和向后拉粒子。因此，最初通過范德華力附著在基材表面的粉末顆粒很容易被分離并被拖向熔體池(圖5，用黃色突出顯示的顆粒)。

這種粒子運動被稱為由誘導氣流引起的蒸汽驅動的粒子卷帶，導致軌道周圍形成一個耗損區(qū)，從而產(chǎn)生Matthews等人所描述的剝蝕現(xiàn)象。在加工GA粉時，熔池附近的顆粒傾向于自由移動，與熔融材料發(fā)生碰撞并浸入其中。這是由于GA粉末的圓形和良好的流動性，這里的引力不足以將顆粒固定在適當?shù)奈恢?圖4a)。一部分粉末被氣流夾帶，從熔池中卷走，成為飛濺物。

WA粉由于其形狀不規(guī)則，表面發(fā)達，表現(xiàn)不同，與相鄰顆粒產(chǎn)生機械接觸，形成團聚體。團聚體可能不會到達熔體池，因為它們的質(zhì)量更高，這是由于粒子聚集在一起而實現(xiàn)的。因此，更少的粒子有助于熔池的形成(圖4b)。在處理WA粉時，熔池也出現(xiàn)了相當混亂和不穩(wěn)定的行為(圖5(e)-(h))，這很可能是由于與GA粉相比，粉末中的氧含量更高。

激光加工對金屬粉末的影響是AM研究的重點。這些問題在一定程度上是過程中飛濺產(chǎn)生的結果。粉末飛濺主要由兩種機制引起：反沖壓力和Marangoni流耦合，以及誘導氣流引起的蒸汽驅動顆粒夾帶。圖6a顯示了作用在熔池上的反沖壓力引起的熔池波動。熔池在激光照射下振蕩，首先形成突起（圖6b）。隨著表面張力的降低，毛細管力無法將熔池保持在一起（這被稱為高原-瑞利毛細不穩(wěn)定），從而導致伸長頸部的形成。最后，當飛濺的動能超過熔體池的毛細壓力時，噴出一個球狀液滴(圖6c)。

圖6 快照(16000 fps)突出顯示了ga4130低合金鋼粉末在激光照射下的熔池波動，(a)開始于熔池振蕩，(b)逐漸向凸起階段傳播。(c)隨著表面張力的降低，毛細力不能將熔池保持在一起，形成飛濺液滴。

反沖驅動飛濺的直徑通常大于原料的直徑，這表明一旦飛濺落在粉床上，就會造成粉層不均勻，如果不清除的話，就會影響建板上物料的均勻分布。圖7顯示了飛行中的反沖驅動飛濺粒子，它們從GA(圖7a)和WA(圖7b)粉末的激光-材料相互作用區(qū)噴射出來。

圖7 GA (a)和WA (b)粉料和反沖驅動飛濺的尺寸差異�？罩械娘w濺呈圓圈狀，看起來比原始粉末大。圖像以8000幀/秒的速度通過遠距離顯微鏡鏡頭記錄。

盡管了解過程中產(chǎn)生的飛濺的大小和數(shù)量很重要，但很難量化每次系統(tǒng)運行后收集的數(shù)據(jù)。由于冷卻條件與氣體霧化過程中的冷卻條件相似，即使初始顆粒形狀不規(guī)則，反沖驅動噴射也獲得球形形態(tài)。噴射出的顆粒的直徑通常比原始粉末大。這適用于GA和WA粉末的加工。

圖8 激光處理GA (a)和WA (b)低合金鋼粉末后的飛濺和粉末收集。粘附在飛濺物表面的熔融顆粒也可以觀察到。

圖8突出顯示了反沖驅動的飛濺物，這些飛濺物落回到了粉末床上。圖像顯示了在實驗過程中從飛濺物收集區(qū)域收集的飛濺物和原始粉末。GA（圖8a）和WA（圖8b）低合金鋼粉末的進料和反沖驅動飛濺物之間的尺寸差異很明顯，還可以觀察到飛濺物表面的熔融顆粒。

粉末床孔隙率和氧化物含量對飛濺的產(chǎn)生有影響。隨著溫度的升高，被困在顆粒之間或從粉末表面解吸的氣體開始膨脹，促進飛濺噴出。集中在顆粒表面的氧化膜也可能降低與以前的粉末層和基底的潤濕程度，從而導致缺陷的形成。此外，降低粉末與基體的附著力會降低粉末層的質(zhì)量。

需要指出的是，無論使用哪種原料，粉末飛濺都是AM中的常見現(xiàn)象。表面活性元素（如氧和硫）濃度的微小差異可改變金屬中的熱毛細力。隨著表面張力的降低，液滴可以以更低的流體流動速度逃離熔池。先前已經(jīng)證明，材料中的高氧含量可能會導致一個大的表面張力梯度穿過熔體池的表面，觸發(fā)熔體流動的循環(huán)，這產(chǎn)生了一個相當強的流體運動。

事實上，據(jù)Dubberstein等人報道，少量增加氧含量可以顯著降低鋼液的表面張力。因此，這可能導致熔池不穩(wěn)定，并最終導致飛濺噴出。在這項研究中，測量了兩種材料在粉末床后收集的飛濺的質(zhì)量。結果表明，處理WA粉時產(chǎn)生的飛濺比處理GA粉(分別為0.55 g和0.13 g)時多。由于兩種粉末的工藝參數(shù)和條件都保持不變，因此產(chǎn)生的噴出量的差異被認為是由于WA粉末中氧氣含量較高。

3.3. WA和GA粉末之間的軌跡高度差異
圖9顯示了使用GA和WA低合金鋼粉末生產(chǎn)的固化軌道的光學圖像。在實驗過程中，參數(shù)保持不變：激光束的焦平面位于表面，形成接近頂帽的光束輪廓，光束作為連續(xù)波運行。

圖9 GA (a)和WA (b)粉末的固化熔跡。6個軌道的激光功率為250 W，掃描速度為3 m/min，磁層厚度為100μm，艙口間距為1 mm。

一般而言，激光束（直徑、功率、輪廓等）和掃描速度與粉末顆粒沒有直接相互作用，但在熔池前面運行的激光束的一小部分除外。粉末顆粒在與激光束相互作用之前達到熔化溫度。因此，激光主要與已經(jīng)熔化的材料相互作用。相反，光束和速度決定了熔池的形狀。顆粒并入熔池取決于熔池前端的形狀。

一旦顆粒在熔池中熔化，其原始形狀對任何后續(xù)機制都不會產(chǎn)生任何影響。相反，粉末的不同化學性質(zhì)會影響某些物理性質(zhì)和相關機制，特別是通過表面張力的差異。粉末中氧和硫等表面活性元素的存在會改變表面張力，從而改變?nèi)垠w中的流體流動，從而導致熔體池中產(chǎn)生不穩(wěn)定性。

與商業(yè)LPBF系統(tǒng)相比，其掃描速度更低(3 m/min)，從而產(chǎn)生了更寬的熔池。軌道寬度沿長度有微小的變化，很可能是由于熔池不穩(wěn)定;兩種粉末熔體池平均寬度相似，但軌道高度和截面面積存在差異(見圖10)。這種差異源于兩種類型的粉末在粉末層中的包裝行為。

圖10 GA (a)和WA (b)粉在軌道高度上的差異。

粉末形狀影響LPBF中的層堆積特性，進而影響工藝效率。單珠測量的結果表明，與GA粉末相比，使用WA粉末時的軌道高度降低了15%（圖10）。此外，WA粉末的軌道橫截面計算面積比GA粉末低31%。這表明了原料相對密度與單層粉末填料之間的關系（如第3.1節(jié)所述）。這一結果也可以解釋為更好的粉末流動性和更高的顆粒夾帶到激光-材料相互作用區(qū)域。數(shù)值如表3所示。

表3通過光學顯微鏡和ImageJ測定GA和WA粉末的軌跡高度（H）和面積（S）值（平均值）。

獲得的GA和WA粉末之間的徑跡高度差異還表明，WA粉末的多孔粉末床導致粉末層內(nèi)的熱傳導降低，因此，AM工藝效率較低。

4.結論
本文的研究結果表明，在激光輻照下，WA的行為與GA 4130低合金鋼粉末不同。可以得出以下結論：

•   結果表明，用WA粉制作連續(xù)軌道是可行的。因此，可以得出結論，該材料有可能成為最常用GA粉末的替代品。然而，在加工之前，應考慮材料包裝行為的差異。

•   使用WA粉末時的軌跡高度比從GA粉末獲得的值低15%。此外，WA粉末的橫截面積降低了31%。這歸因于較低的堆積密度（比鎵粉低18%）和材料的不規(guī)則形態(tài)，有結塊和機械聯(lián)鎖的趨勢。

•   WA和GA粉末的加工性能通過高速成像與激光輻照下粉末行為的關系進行評估。研究結果表明，由于WA粉末形狀不規(guī)則，導致其與相鄰顆粒接觸，因此具有不同的顆粒夾帶行為。這會阻止粉末從粉末床上分離。因此，較少的顆粒到達熔池并浸入其中。

•   根據(jù)HSI，WA粉末具有更頻繁的飛濺噴射。從飛濺物收集區(qū)獲得的質(zhì)量證實了這一發(fā)現(xiàn)。這很可能是由于WA粉末中的氧氣含量較高，從而導致熔體池中的不穩(wěn)定性。

來源：A comparative study of water and gas atomized low alloy steelpowders for additive manufacturing，AdditiveManufacturing，doi.org/10.1016/j.addma.2020.101675
參考文獻：D. Herzog, V. Seyda, E. Wycisk, C. Emmelmann, Additive manufacturingof metals, Acta Mater. 117 (2016) 371–392,https://doi.org/10.1016/j.actamat.2016.07.019. S. Gorsse, C. Hutchinson, M.Goun′e, R. Banerjee, Additive manufacturing of metals: a brief review of thecharacteristic microstructures and properties of steels, Ti-6Al4V andhigh-entropy alloys, Sci. Technol. Adv. Mater. 18 (2017) 584–610, https://doi.org/10.1080/14686996.2017.1361305.