增材专栏 | 颗粒大小和形状对金属粉末物理特性的影响

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金属粉末关键的整体特性是堆积密度和流动性。 堆积一致可提供高密度粉末，确保生产的组件缺陷少、质量一致。另一方面，流动性与工艺效率有着更密切的联系。 

影响流动性的颗粒特性包括刚度、孔隙度、表面织构、密度和静电荷。图 1说明了颗粒形状和粉末流动性的各个方面之间的关系 ^[1]。粗糙的表面会增加颗粒间摩擦，而不规则形状的颗粒更容易受到机械联锁；这两种效应都会降低流动性。球形颗粒的堆积效率往往比不规则颗粒高，从而带来更高的堆积密度 ^[2]。因此，增材制造对粉末整体特性的要求表明，球形度极可能被视为关键属性，这已在业内形成普遍共识。

图1  因减少了摩擦及降低了机械联锁的风险，表面光滑形状规则的颗粒比不规则和/或更粗糙的颗粒更容易流动

在颗粒粒度方面，增材制造金属粉末需要控制其达到微米级精细度，才能够满足构建厚度仅为数十微米的粉床的要求。然而，粉末粒径过小会引发健康安全隐患（如吸入性粉尘风险）及流动性降低问题。由于颗粒间的吸引力随着颗粒粒度的减小而增加，细粉通常比粗粉通常表现出更差的自由流动特性，但优化颗粒形状有助于降低这种影响 ^{[1, 3]}。在堆积方面，图 2 显示了颗粒粒度和粒度分布的影响。最大堆积密度是通过包含粗颗粒和细颗粒的级配分布实现的，其中细颗粒通过填充粗颗粒间的空隙来提升整体密度 ^[2]。这一概念如图 2所示。

图2 当颗粒粒度分布包括细颗粒和粗颗粒时，堆积密度达到最大值

金属粉末的规模化生产早于增材制造技术，市场上已存在多种化学性质一致的产品，其中大多数是通过雾化工艺制造的。这意味着颗粒粒度分布和颗粒形状可以精确控制，但成本较高。特别是高球形度金属粉末的成本远远高于不规则形状粉末。通过精确测定粉末特性以匹配工艺需求，是实现性能优化与成本平衡的关键?^[4]。

增材制造中用的金属粉末主要采用气体雾化法制备。该工艺将原料在坩埚中熔融后，通过喷嘴喷入高压气流（通常为氩气或氮气），使金属液流破碎形成液滴。通过调节气体压力、熔体特性、喷嘴设计和气体-金属比等参数，可控制粉末粒径。但该工艺获得的产品不是特别适合增材制造工艺，因为增材制造在理想条件下需要更窄的颗粒粒度分布，如图 3 所示。需通过“刮削处理”以去除超大颗粒，并结合气流分级或筛分等后续处理工序，方可获得所需的粒度级。由于增材制造用粉末粒度分布较窄，导致雾化产量较低，这是增材制造专用粉末成本较高的关键因素之一。

图3 气体雾化粉末的典型雾化颗粒粒度分布，包括各种先进粉末冶金制造技术所需的粒度分布

如前所述，球状颗粒是粉床增材制造的首选，因为它能提供更好的颗粒堆积密度和流动特性。气体雾化法获得的颗粒虽然具有相对球型特征，但仍可能存在卫星颗粒（细小颗粒与较大颗粒在雾化过程中熔合或团聚形成的非规则形态）等缺陷。这不仅影响流动性和密实度，还因为卫星颗粒太小（通常是 1-10 微米），若脱离主体可能形成空气悬浮物造成健康与安全隐患?。更高球形度颗粒可以通过等离子雾化法或等离子旋转电极工艺 (PREP) 获得，但成本显著提高。

激光衍射的测量范围在 0.01 - 3,500 μm 之间，是大多数增材制造应用选择的一种粒度测量技术，特别是针对较小的粒度范围时，激光衍射系统根据准直激光束穿过样品时产生的光散射谱图确定颗粒粒度。

Mastersizer 3000+ 激光衍射系统高度自动化，可实现“一键式”操作，并且只需最少的人工干预即可提供高通量分析。除了基于实验室的激光衍射系统外，还有在线测试系统（如 Insitec在线粒度仪），实时监控颗粒粒度，实现自动化工艺控制。它们可用于在雾化、研磨或喷雾干燥过程中监测颗粒粒度变化，或在最终用户设施中用于自动处理和回收粉末 ^[5]。

图4 用于制造金属粉末的气体雾化过程的示意图，绿色圆点标出在线粒度仪工作的环节

图5显示了在 Mastersizer 3000+ 上使用湿法和干法分散制备的四份金属粉末的测量结果。湿法或干法分散可用于处理金属粉末，如果优化了分散程序且采样具有可比性，则应具有等效结果。对于图 5 中 <150μm 的粒级，干法和湿法测量之间存在明显差异，这是由于细颗粒在干燥状态下粘附到较大颗粒上或采样差异所致 ^[6]。

图5 每种不锈钢 316L 粉末样品的湿法和干法测量比较。在每种情况下，红色迹线为干法测量 PSD，绿色迹线为湿法测量 PSD（每个 PSD 均为五次测量的平均结果）

表 1 显示了 Mastersizer 3000+（实验室分析仪）和 Insitec（在线分析仪）对四种粒级的不锈钢粉末进行干法分散测量的比较。Insitec 和 Mastersizer 在所有粒级上均具有良好的一致性，Insitec 的结果高出不到 2％ ^[7]。

表 1  四种粒级不锈钢粉末在 Mastersizer 3000+（实验室分析仪）和 Insitec（在线分析仪）之间的比较

在增材层制造中，通常使用三种出色的技术来表征颗粒：动态图像分析、自动静态图像分析和扫描电子显微术 (SEM)。区分这些技术的简单方法是比较成像颗粒的数量和这些图像的分辨率 ^[8]：

• 动态图像分析将产生非常多的图像，但分辨率通常太低，无法捕获精细材料或表征表面织构。

• SEM 将产生非常高的分辨率并捕获精细的表面细节，但较少的图像数量决定了它只能是一种定性技术。

• 处于中间位置的是自动静态图像分析，它可以平衡分辨率，使其足以捕获精细材料和表面织构，同时提供与统计相关的图像数量，以便进行定性和定量分析。

图6  图中显示了自动成像测量的常规工作流程

自动成像技术适用于粒度范围约0.5 微米 至 1毫米以上的颗粒，可为达到统计数量的颗粒群体提供粒度和形状测量 – 可以是干粉分散的颗粒，也可以是液体介质中的颗粒。自动成像是一种高效的技术，用于生成数据以全面优化金属颗粒形态。自动成像系统只需几分钟即可在分散样品中捕获数万个颗粒的单独图像。图 6 显示了自动成像测量的常规工作流程，图7 显示了此工作流程中显示的一些典型颗粒形态。

图7 通过自动图像分析显示的颗粒形态参数 为每个颗粒计算多个粒度和形状参数，用于建立统计上显著的基于数量的分布。

最常用的形状参数是圆度（颗粒周长/同等面积圆的周长）和高灵敏度圆度（周长/同等面积圆的周长）²，尽管可以设置自定义分类来查看附属物。图 8 显示了使用 Morphologi 4 全自动粒度粒形分析仪拍摄的几张金属粉末图像，这些图像是根据形状自动分类和分组的，例如它们是球状的还是细长的，或者它们是否有附属物 ^[9]。

图8 增材制造金属粉末的颗粒分级以及相应的颗粒图像

参考文献：

[1]  DF. Heaney, Handbook of metal injection molding, Woodhead Publishing, 2012

[2]  J.P. Bennett 和 J.D. Smith, Fundamentals of Refractory Technology (Ceramic Transaction Series), Volume 25, 2001 (American Chemical Society)

[3]  C.N. Davies, Aerosol Science, Academic Press, London and New York, 1966

[4]    The importance of powder quality in powder bed Additive Manufacturing processes: A MalvernPanalytical webinar available for viewing.

[5]  J. DeNigris, “Taking control of metal powder properties: Exploring the benefits of real-time particle sizing,” Met. Powder Rep., 73, No. 4, 202–207 (2018).

[6]     Determining the particle size distribution of metal powders using wet and dry dispersion on the Mastersizer 3000: A Malvern Panalytical Application Note available for download

[7]     M. Tulley, S. Hall, U. M. Attia, J. Dawes, J. Ashby, and G. Thornton, Feasibility Assessment of Using In-Process Measurement Analysers for Metal Powders, Euro PM2019

[8]     8 reasons why it’s time to upgrade to automated imaging: A Malvern Panalytical White Paper available for download

[9]     Characterising the particle size and shape of metal powders for Additive Layer Manufacturing: A Malvern Panalytical Application Note available for download