增材制造用金属粉末材料的关键影响因素分析

　　目前，增材制造技术成为一项备受关注的技术，在航空航天、汽车、生物医药等行业得到了大力发展，已成为一种推动传统制造业转型升级的重要力量。我国增材制造技术近年来发展迅速，各种应用服务市场正在逐渐成型，虽然在部分领域有一定成效，但与国外相比整个产业的技术储备不足，增材制造相关的核心技术及专利都被国外企业把持。

　　目前工业生产中应用最为广泛的依然是金属材料，使用增材制造技术来代替传统工艺方法，制造各种传统加工手段难以加工的金属零部件是目前增材制造技术的一个重要发展方向。区别于传统工艺方法，增材制造技术对材料的性能和适用性提出了更高要求，但作为产业基础的金属粉末材料，成为制约我国快速发展增材制造产业的一个重要因素。笔者尝试对增材制造工艺过程的影响因素进行分析，探讨增材制造用金属耗材的特点，以期为我国相关材料的研究提供参考。

　　1金属增材制造技术的分类

　　目前比较成熟的金属增材制造技术主要包括选区激光熔化、激光熔化沉积、电子束熔炼等，每种工艺方法都已有比较成熟的产品供应市场。

　　1.1选区激光熔化

　　选区激光熔化(SLM)工艺是工件的3D模型先进行分层处理，然后利用扫描系统控制激光束对待成型区域内的材料进行照射，有选择性地对金属粉末进行熔融处理。每层切片扫描结束后，送粉系统用新粉将已成型区完全覆盖，不断重复这两个动作，直至完成所有切片的扫描，最终实现工件的逐层累积成型。

　　1.2激光熔化沉积

　　激光熔化沉积(LMD)也称作激光直接制造。一般采用较高功率的激光，送料的方式多为同步送粉，直接进行层叠式沉积是其最大技术特色。与传统制造工艺相比，该方法灵活性高、流程短，可显著减少成品的成本和时间。在制备小批量、高价值金属零部件等方面有巨大潜力

　　1.3电子束熔炼

　　电子束熔炼(EBM)是在高真空条件下，利用电子束将金属粉末熔融而成型的工艺方法。真空条件及电子束是EBM与LMD及SLM的主要区别。利用EBM技术制造的零件致密性好，强度极高。

　　2增材制造工艺的主要影响因素

　　虽然实现增材制造的技术方法有多种，但加工机理基本一致，即材料在高能热源作用下快速融化，由于作用时间极短，熔融的金属在基体的冷却作用下发生快速凝固，从而实现在特定的扫描区域成型。增材制造制品的性能由热源量属性、材料特性及工艺参数所决定，而热源类型及送粉方式是区分各种增材制造技术的最根本因素。

　　2.1热源

　　在金属增材制造领域，应用最为成熟的热源是激光和高能电子束。电子束与激光的工作原理不同，电子束的加热方式是高能电子穿过靶材的表面进入到距表面一定深度后，再传给靶材原子能量，从而使靶材原子的振动加剧，把电子的动能转换为热能;激光的加热方式则为靶材表面吸收光子能量，激光并未穿过靶材表面。材料制造加工过程中，热源的功率及扫描速度一般是恒定的，即作用于材料的能量密度是恒定的，热源作用效果由材料对热源的吸收性能直接决定。材料对热源能量的吸收由两者的作用机理、材料表面状态等因素所决定。对于最常用的激光热源，激光光能的吸收与波长、被照材料的反射率以及能量密度相关，在成型过程中，材料的表面状态、尺寸等因素对激光都有明显的制约作用。电子束由于其作用机理的不同，在增材制造过程中表现出较激光更加良好的适配性。

　　2.2材料

　　粉末材料是目前最为常用的金属类增材制造用材料。金属粉末作为金属制件增材制造产业链中最重要的一环，也是最大的价值所在。金属粉体材料一般用于粉末冶金工业，粉末冶金成型是将粉末预成型后利用高压高温条件进行最终的定型，整个过程中，材料发生的物理冶金变化相对缓慢，材料有比较充分的时间进行融合、扩散、反应。由于受粉末冶金加工时温度及压力的限制，为了保证工件的致密性，要求使用的粉体材料尽可能地将成型腔体填充完全。针对粉末冶金工艺的技术特点，已经发展出了一套比较完善的粉末评价方法及标准，有相对比较完善的指标可用来恒量粉体材料的性能，如粒径、比表面积、粒度分布、粉体密度、流速、松装密度、孔隙率等。对于粉末冶金而言，粉末的流动性、振实密度等指标是衡量粉末冶金用粉末材料的重要指标。

　　增材制造工艺与粉末冶金工艺相比有明显的区别，粉末材料在热源作用下的冶金变化是极速的，成型过程中粉体材料与热源直接作用，粉体材料没有模具的约束以及外部持久压力的作用。一般认为直径小于1mm的粉体材料适用于增材制造，粒径在50μm左右的粉体材料具有较好的成型性能。与粉末冶金工业相比，目前国内还没有形成成熟的评价方法或标准来判定粉末材料与增材制造工艺的适用性，增材制造用粉末的相关评价方法及指标需要进一步深入的研究与思考。

　　2.3工艺过程

　　图1为典型的粉体填加方式示意图。可以看出采用铺粉方式时，热源优先作用于粉末，为保证粉末与已成型区的冶金结合充分，需要确保加工过程中熔池的深度及尺寸在一个合理范围内。当采用同步送粉方式时，无论是同轴送粉还是侧向送粉方式，热源对材料的作用分成作用于已成型区及作用于粉末材料两部分。粉末在运动途中被热源加热到一定温度后，在自身动能的作用下打入已成型区域，整个成型过程相当于相对高能的粉末材料轰击熔合区域的过程，这种方式较铺粉方式更有利于提高制品的致密度。

　　3增材制造工艺影响因素综合分析

　　使用增材制造技术加工工件时，首先要根据材料的特性选定热源类型、功率大小及扫描速度等参数，然后将材料通过输送装置置于加工区，并在热源的作用下逐步成型。增材制造过程是一个非连续加工过程，工艺过程的稳定性、一致性是其成败的关键。产品加工的稳定性、一致性的要求需要由材料、热源、工艺流程等因素的共同作用才能保证。增材制造过程中，一般热源的类型、功率大小及扫描速度是恒定的，即加工过程中材料成型的热源是稳定一致的。加工过程中，热源会同时与粉末及已成型区的基体发生作用，采用铺粉方式送粉时，热源对粉末的作用更加的直接;而采用直接送粉方式时，热源与基体之间的作用会变得更明显。

　　粉末无论采用哪种方式被置于成型区，在相同的作用区域、空间，热源对粉体作用总量是稳定的。热源作用于材料时，受作用机理以及材料自身状态(如粒度、球形度、表面状态)等因素的影响。因此，增材制造过程的稳定性最终由材料的稳定性、一致性所决定。材料的一致性越好，加工过程中材料发生的冶金变化越稳定，这样才能保证扫描路径中材料的变化以及最终的性能更加的稳定、一致。对于粉末材料，性能的一致性不仅包括材料的化学成分、组织、力学性能等常规性能一致，同时其形貌特征，如粒径大小、球型度等因素也是重要的指标。最理想的增材制造用粉末应是粒径尺寸、外形一致的。受生产工艺及方法的限制，实际生产中很难采用完全一致的材料，加工用的粉末一般由多种粒径的粉末混合而成。为保证加工过程中的稳定性，这种混合粉末在加工过程中发生的冶金变化应控制在合理的范围内。假设增材制造过程中粉末均为理想球体，热源能量密度均匀分布，忽略材料外形对热源吸收率的影响以及加工过程中材料的相变等因素。则粉末在成型过程中被加热至成型温度所需的能量为：

　　式中：c为材料的比热容;m为粉末颗粒的质量;Tp为理想成型温度;Ti为材料初始温度;ρ为材料密度;d为粉末直径。而成型过程中，热源作用于粉末颗粒的有效能量为：

　　式中：a为材料对热源的吸收率;P为热源功率;D为热源直径;v为扫描速率。则有：Q供

　　由增材制造技术的特点可知，k为常数。当Q供/Q需=1时是最理想的加工状态，材料在热源的作用下即不会过热，也不会欠热;而当Q供/Q需>1时，说明加工过程中热源的供给超过需求，多余的能量会将粉末加热到高于成型所需的温度;当Q供/Q需<1时，说明能量的供应不足。由于：

　　粉末直径越小，在其他参数相同的条件下，Q供/Q需的比值越大，即能量供应过量幅度越大，越容易在成型过程中出现过热现象。过度的加热可能会造成材料熔融过度，熔池温度过高，熔池内金属液的流动情况变得更为复杂，有可能使金属液发生飞溅现象，过高的温度更容易使合金元素发生烧损，甚至会导致元素与保护气体发生反应而引入夹杂等问题。粉末直径越小，比表面积越大，越容易发生团聚现象，团聚后的粉末会大大降低粉末的可输送性。

　　金属熔融后，受表面张力的作用极易发生球化，由于成型中冷却速度快，球化可能会被完全保留下来，使得工件的表面质量下降，严重时可以造成加工无法进行。实际生产中发现，加工过程中发生球化现象的程度随粉末中细粉的比例增大而增强。当粉末直径过大时，加热过程获取的能量无法充分地将粉末加热至理想成型温度，这可能导致材料的冶金变化不完全，影响材料之间的结合力，使得工件的致密性下降。当粉末直径达到一临界值时，成型过程将完全无法进行。由函数的变化规律可知，在以d0为中间的相邻区域内，函数的变化较为平缓，此时能量的供给与需求之比偏离理想状态相对较小，这利于保持增材制造过程的稳定性。由此可推知，增材制造用的粉末材料粒度分布应在一个比较窄的范围内。这与目前增材制造用粉的粒度一般在200～500目的实际情况相符合。

　　4结论

　　(1)增材制造是一种新兴的成型技术，而材料是制约增材制造工艺广泛应用的主要因素。

　　(2)增材制造用粉末材料与粉末冶金用粉末材料在本质上没有区别，但其粒度分布要求更为严格，需控制在一个较窄的范围内。

　　(3)增材制造用粉末的粒径、粒度的分布由热源类型、成型参数所决定。