鞏維艷，沙治波，王 震，王 哲，蔣 疆，祁俊峰

(1.北京衛(wèi)星制造廠有限公司，北京 100091；2.北京空間機電研究所，北京 100094)

增材制造技術是基于“分層切片+逐層堆積”的思想，采用離散材料(液體、粉末、絲、片、板、塊等)逐層累加原理制造實體零件。相對于傳統(tǒng)的材料去除技術(如切削等)，增材制造是一種自下而上材料累加的制造工藝[1-3]。激光選區(qū)熔化成形工藝是增材制造技術的一種，激光選區(qū)熔化成形專用金屬粉末有著自身獨特的規(guī)律，粉末特性不僅影響SLM工藝參數的制定，同時也影響著成形件的致密度與表面粗糙度，是影響成形質量的關鍵問題之一[4-7]。對于工業(yè)級金屬增材制造領域，高品質的金屬粉末是制約技術規(guī)模化應用的重要因素之一。業(yè)內對于金屬粉末的評價指標，主要有化學成分、粒度分布、比表面積、粉末的球形度、流動性和松裝密度。其中，化學成分、粒度分布是SLM工藝用于評價金屬粉末質量的常用指標，粉末比表面積、球形度、流動性和松裝密度可作為評價質量的參考指標。由于對粉末的研究相對較少，所以本研究針對SLM專用AlSi10Mg粉末特性進行研究，包括化學成分、比表面積、粒度分析和粉末流動性等[8-10]。

1 材料和設備

本研究材料為AlSi10Mg合金粉末，AlSi10Mg合金粉末為規(guī)則的球形顆粒，材料的化學成分見表1。

表1 AlSi10Mg合金粉末的化學成分(質量分數) (%)

本研究所用的設備型號為EOSINT M290，激光選區(qū)熔化成形的主要工藝參數見表2。

表2 鋁合金結構件激光選區(qū)熔化成形關鍵工藝參數

2 結果分析

2.1 化學成分分析

目前，金屬化學成分檢測應用最為廣泛的方法是化學分析法和光譜分析法?；瘜W分析法是利用化學反應來確定金屬的組成成分，可以實現金屬化學成分的定性分析和定量分析；光譜分析法是利用金屬中各種元素在高溫、高能量的激發(fā)下產生的自己特有的特征光譜來確定金屬的化學成分及大致含量，一般用于金屬化學成分的定性分析。上述2種方法都要使用專業(yè)的檢測設備，由專業(yè)檢測機構的人員完成。

AlSi10Mg粉末化學成分測試按照GB/T 20975系列標準執(zhí)行，AlSi10Mg粉末的化學成分符合表3中的要求。表3中，1#為新粉，2#為循環(huán)使用5次粉末，3#為循環(huán)使用10次粉末。

表3 AlSi10Mg鋁合金粉末的化學成分(質量分數)檢測結果 (%)

對于金屬增材制造打印而言，因為打印過程中金屬重熔后，元素以氣體形態(tài)存在，有可能在局部生成氣眼等缺陷，影響工件致密性及力學性能，所以，對不同體系的金屬粉末，氧含量均為一項重要指標，業(yè)內對該指標的一般要求為<1 500 ppm，即氧元素在金屬中所占的質量分數<0.15%，航空航天等特殊應用領域對此指標的要求更為嚴格。部分客戶也要求控制氮含量指標，一般要求<500 ppm，即氮元素在金屬中所占的質量分數<0.05%。

2.2 粉末粒度

粉末粒度即不同尺寸的金屬粉末顆粒在一定尺寸區(qū)間內所占的體積分數的統(tǒng)計數據，此數據呈正態(tài)分布。SLM粉末的粒度相當關鍵，它是制造粉末的第一準則，現有的研究一般認為，粒度不均勻、跨度范圍大更容易產生球化現象。普遍認為，粉末的粒度越小越好，但如果粒度太小，反而對流動性有不利影響，對粉末的熔融和潤濕產生阻礙，從而影響構件的性能。

AlSi10Mg粉末的粉末粒度測試按照標準GB/T 19077.1—2008《粒度分析 激光衍射法》執(zhí)行。工作原理為激光對分散好的顆粒進行照射，并在顆粒表面產生衍射現象，進而出現一定的空間光強分布。在探測區(qū)域附加一些光電探測設備，將光學信號轉化為電信號輸入到計算機中。計算機對信號進行處理、放大，然后通過換算方法把衍射圖譜的空間分布換算為顆粒大小的分布，顯示在計算機上。AlSi10Mg粉末的粒度測試結果見表4。

表4 粉末粒度檢測結果

表4中，新粉的D10=15.557 μm，代表尺寸<15.557 μm的粉末體積所占比例≥10%。該粉末中，粒度分布百分數為50%的粉末粒度為33.600 μm，<60.670 μm的粉末比例≥90%。循環(huán)使用次數增多，D90稍有增大。

2.3 粉末比表面積

比表面積即單位質量物料所具有的總面積。粉末的比表面積檢測標準為GB/T 13390—2008《金屬粉末比表面積的測定 氮吸收法》。顆粒的比表面積采用BET理論進行測量。BET方程：單層吸附量Vm與多層吸附量V之間的關系如下：

(1)

式中，P為氮氣分壓；P0為液氮的溫度下，氮氣的飽和蒸汽壓；V為樣品表面氮氣的實際吸附量；Vm為氮氣單層飽和吸收量；C為樣品吸附能力相關的常數。檢測結果見表5。結果顯示，隨著循環(huán)次數的增多，粉末的比表面積先增大后減小。

表5 比表面積測試結果

2.4 SLM成形試樣力學性能

室溫拉伸試驗按照GB/T 228.1—2010的方法進行，由于激光選區(qū)熔化成形的特殊性，分別打印沿激光掃描方向(XY向)和沉積方向(Z向)的拉伸試樣。測試結果見表6。

表6 拉伸試驗測試結果

由表6可見，粉末循環(huán)使用對化學成分影響不大，使用10次以后粉末化學成分仍在標準范圍內，但是多次使用后粉末發(fā)生團聚，粉末成形產品的力學性能也略有降低，因此應嚴格控制粉末使用次數。

3 結語

常用的金屬增材制造打印粉末的粒度范圍是15～63 μm(細粉)和63～105 μm(粗粉)。此粒度范圍是根據不同能量源的金屬打印機劃分的。以激光作為能量源的打印機，因其聚焦光斑精細，較易熔化細粉，激光選區(qū)熔化成形工藝適合使用細粉作為耗材，因為此粒度范圍內的粉末既有良好的流動性，又較易熔化。粉末粒度分布范圍廣，不同粒度的球混合在一起，減小了粉末的孔隙率，粉末流動性較好；粉末粒度分布范圍小，平均粒度小，激光選區(qū)熔化成形過程中流動性不好，不易鋪粉；粉末平均粒度大，成形產品的力學性能偏低。由此可知，粉末化學成分、粉末粒度及其分布狀態(tài)是影響金屬材料力學性能最關鍵的因素，因此，在原材料選擇上應嚴格控制粉末化學成分、粉末粒度和粒度分布。另外，在使用過程中，應嚴格監(jiān)測粉末循環(huán)使用次數對粉末化學成分和粉末粒度等粉末特性的影響。