3.2.2　粉末物理特性与3D打印的交互作用机制

粉末物理特性主要包括形貌、粒径、流动性、表面积等，流动性、表面积等与形貌和粒径有着直接的关系，因此，形貌和粒径分布是影响3D打印质量的关键因素。华中科技大学史玉升等人采用气雾化和水雾化制备了不锈钢粉末研究粉末形貌对增材的影响，结果表明，两种粉末粒径分布基本接近，但其颗粒形状存在较大差异，水雾化形貌不规则、球形度差、铺粉效果不佳，气雾化粉末球形度较好、铺粉效果好、成形质量好。北京工业大学张冬云［16］发现，粉末粒度对SLM成形质量有直接影响，在一定范围内，粒度越小越有利于金属粉末的熔化成形，成形制件的致密度更高。在相同条件的激光光斑作用下，小粒度的粉末颗粒比表面积相对较大，更易于熔化，从而获得较高的致密度，但粒度太小的粉末（粒径小于10μm）流动性差，不易于铺粉，易造成粉层厚度不一致，降低制件的成形质量。Izhar Abd Aziz［17］、P.A.Kobryn等人［18，19］采用了不同制粉方法，获得了不同粒径的粉末，并进行了SLM激光选区熔覆实验，结果表明，使用气雾化粉末获得的3D打印件的杨氏模量、屈服强度、抗拉强度和硬度等力学性能测试表明都好于传统Ti-6Al-4V材料。

金属粉末属于松散状物质，其性能综合反映了金属本身的性质和单个颗粒的性状及颗粒群的特性。一般将金属粉末的性能分为物理性能、化学性能和工艺性能。物理性能包括粉末的平均粒度和粒度分布，粉末的比表面和真密度，颗粒的形状、表面形貌和内部显微结构；化学性能是指金属含量和杂质含量；工艺性能是一种综合性能，包括粉末的流动性、松装密度、振实密度、压缩性等。

粉末的粒径直接影响3D打印过程中逐层的厚度，决定打印部件最小特征尺寸，研究表明［20～33］，粉末粒径越小，特征尺寸越小，表面粗糙度越低。此外粒度分布越宽，在SLM工艺中，更易获得高的松装密度、振实密度以及铺粉密度，从而使制件致密度更高，力学性能更优异。

采用SEBM技术，Joakim Karlsson［20］打印Ti-6Al-4V合金25～45μm和45～100μm两种粒径分布粉末的样件，通过对比发现样件在化学成分、宏观和微观组织以及力学性能上存在的差异不大，粉末粒径分布对其影响不明显，仅在表面粗糙度上存在差别。这是因为相比较粉末床激光3D打印，SEBM电子束功率较大，即使较大的颗粒也可以熔融充分，从而降低了打印过程对粉末粒径分布参数的敏感性。

（1）粉末微观形貌对3D打印过程的影响

粉末物理特性的影响，首先体现在粉末的微观形貌上。北京工业大学张冬云［16］等人采用气雾化和水雾化制备了不锈钢粉末，结果表明，两种粉末粒径分布基本接近，但其颗粒形状存在较大差异。图3-2是两种不锈钢粉末的微观形貌，水雾化的颗粒呈不规则形状，气雾化粉末颗粒为较规则的球形。粉末颗粒形状会影响粉末的流动性，进而影响铺粉的均匀性。结果表明在相同工艺参数下，粉末颗粒形状直接影响着选择性激光熔化成形制件的致密度和表面质量，球形颗粒粉末相对不规则颗粒粉末，更适合选择性3D打印成形。

图3-2　两种不锈钢粉末的微观形貌

（2）金属粉末粒度组成对3D打印的影响

粉末的粒径以及粒径分布是影响3D打印工艺方法和参数的又一重要物理特性。美国Waikato大学Izhar Abd Aziz［17］、日本大阪大学Abe F等人［21］采用了不同的制粉方法，获得了不同粒径的粉末，并进行了SLM激光选区熔覆实验，结果表明，气雾化获得粉末3D打印后的杨氏模量、屈服强度、抗拉强度和硬度等力学性能测试表明都好于传统Ti-6Al-4V材料。国内，北京工业大学张冬云、史玉升等人［16，22～25］研究结果表明，粉末粒度对SLM成形质量有直接影响。在一定范围内，粒度越小更有利于金属粉末的熔化成形，成形制件的致密度更高。在相同条件的激光光斑作用下，小粒度的粉末颗粒比表面积相对较大的更易于熔化，从而获得较高的致密度。但粒度太小（粒径小于10μm），粉末流动性差，不易于铺粉，易造成粉层厚度不一致，降低制件的成形质量。

（3）粉末的流动性对打印性能的影响

粉末的流动性、密度等参数是粉末材料的工艺性能，由金属粉末的物理性能直接决定，即粉末的粒度分布、形貌以及表面质量决定了粉末流动性、松装密度和振实密度等参数。松装密度是指粉末试样自然地充填规定的容器时，单位容积内粉末的质量；振实密度是指在振动或敲击下，粉末紧密填充规定的容器后所得的密度。通常情况下，豪斯纳比率（Hausner Ratio，松装密度/振实密度比值）越小，粉末流动性越好［26～33］。此外，材料本身的内在性能，如内摩擦系数，也会影响粉末流动性。以SLM打印技术为例，形貌好、球形度高的粉末流动性好，粉末床上的铺粉密度（powder bed density）越高，制件的致密性越高［33～37］。也有研究表明粉末的流动性对铺粉密度的影响并不显著，来自不同生产商的3D打印TC4粉末的粉末休止角差异较大，但是在打印过程中的铺粉密度却无显著差别。这是因为粉末流动性的表征是休止角、崩溃角以及压缩率等不同参数的综合指标，不仅限于休止角的测量。Spierings等［37，38］采用旋转粉末分析仪（revolution powder analyzer）系统地评价了23种SLM打印Fe、Ni合金粉末的流动性指标，并与豪斯纳比率、压缩率、崩溃角以及崩溃表面分数等参数进行对比分析后认为，在不考虑粉末粒径分布和形状的情况下，豪斯纳比率不能很好地表征细粉的流动性，而崩溃角以及崩溃表面分数则与旋转粉末分析仪所获得的流动性结果一致，并建议将其作为3D打印粉末流动性测试的ASTM标准。值得一提的是，金属粉末流动性的量化指标是与储粉、铺粉技术和设备相关的，同样的粉末材料，用铺粉尺（ruler，如Concept Laser设备）和粉鼓（roller，如 EOS设备），其铺粉密度也不相同。

（4）金属粉末物理特性与3D打印工艺窗口的建立

国内，张冬云、史玉升等人［16，22～25］对不同粒度粉末进行SLM实验建立了粉末物理特性与3D打印的匹配性工艺窗口，见图3-3。粉末粒径较大时，铺粉时粉末容易出现分布不均的现象，且粉末比表面积较小，对能量的吸收较小，导致3D打印后有球化现象，表面粗糙度差，只有粉末比例适当，且粒径大小在一定范围内，才有比较好的制造效果。粉末颗粒大造成铺粉不均匀，扫描宽度不均匀，表面粗糙，易球化，比表面积小，能量吸收少，易发生熔不透或熔化不完全现象。不同粒径熔化后形成的熔化道宽度也不相同，不同种类的粉末粒径，熔化道的搭接率需要进行优化。

图3-3　不同粉末粒度下的工艺窗口建立