增材专栏 | 增材制造中材料成分不一致会导致什么问题？

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良好的增材制造粉末，其中非常重要的一点是要考察粉末的化学成分的一致性-也就是粉末需要符合指定材料的合金成分，并且必须仔细选择等级以控制存在的间隙元素，如氧或氮，这些元素可能会影响成品组件的性质。此外，增材制造粉末必须不受到外部颗粒的污染，如粉末生产厂、增材制造设施的其他物料批次或加工/回收设备中的碎屑，百万分之几的污染物水平就会对组件质量产生重大影响。

如果增材制造粉末的成分不一致会造成如下问题：

1. 力学性能下降：成分不一致可能导致材料的强度、韧性、疲劳寿命等力学性能显著降低。例如，合金元素的流失或偏析会改变材料的微观结构，形成脆性相或裂纹源。

2. 微观结构缺陷：成分不一致可能引发微观偏析、晶粒粗化或不均匀的相分布，影响材料的均匀性和稳定性。

3. 裂纹和气孔：成分差异可能导致凝固过程中溶质富集、热应力增加，从而产生裂纹和气孔。这些缺陷会成为裂纹扩展的起点，降低部件的承载能力和可靠性。

4. 工艺适配性问题：不同成分的材料需要不同的工艺参数，成分不一致可能导致工艺参数难以适配，增加制造难度。

5. 梯度材料性能不稳定：在制造梯度材料时，成分不一致会使实际成分梯度偏离设计值，影响功能梯度材料的性能。

X 射线荧光法 (XRF) 是分析金属粉末中的化学成分和杂质的简单快捷方法。XRF 可以测定粉末样品中的元素成分和杂质，如疏松粉末、压片，或熔片或熔铸片等样品。虽然电感耦合等离子体 (ICP) 分析广泛用于分析金属和金属粉末，但是ICP 需要进行样品消解、稀释和日常校准，这是一种费力且昂贵的金属和金属粉末分析方法。特别是对于主要元素为几个百分点含量的化学成分分析，XRF 可以测量此类样品，无需进行稀释。 

XRF 的其他优点包括占地面积小、操作简单、无需使用高纯度气体，而且对专业知识的要求很低。XRF 中的准确定量分析要求使用标样进行校准。在需要重新校准之前，XRF 的校准有效期可以达到一年以上。XRF 在许多情况下都是 ICP 的合适替代品。在对于特定痕量元素时，XRF 是一种对于ICP的补充的方法，减少了所需的 ICP 分析量并简化工作流程。

XRF 分析的基本原理很简单，如果我们使用 X 射线光照射样品，就会使样品内产生二次 X 射线（荧光）。这些二次 X 射线具有样品中存在的代表元素的特征能量（或特征波长）。换句话说，通过测量从样品中发出的 X 射线的能量 Ei（或波长 li），我们可以判断样品中存在哪些元素。元素周期表中每种元素的特征能量都会充分记录下来。例如，如果样品中发出 7.7 keV X 射线光子，则表示存在钴，如果发出 8.3 keV 光子，则表示存在镍，依此类推。

图1 . 图中显示了 X 射线荧光法的基本原理，并嵌入到典型 XRF 光谱中

下表显示了使用台式 EDXRF 系统测定三个 Inconel 718 样品的平均成分与 ASTM F3055 中所述的合金标称成分的比较^【1】。

图2 使用EDXRF测定的Inconel718粉末的平均成分。

参考文献：

[1]  ASTM F3055-14a, Standard Specification for Additive Manufacturing Nickel Alloy (UNS N07718) with Powder Bed Fusion, ASTM International, West Conshohocken, PA, 2014, www.astm.org