高性能金属3D打印粉末：等离子雾化是最佳途径吗？

大多数用于3D打印的金属粉末都是通过气体或等离子雾化的方法生产。等离子雾化工艺成本更高，但会产生高度规则形态的颗粒，颗粒的光滑度和球形度通常超过气体雾化可达到的水平。

这就提出了一个问题——我需要等离子雾化粉末吗？优越的形态是否会带来实实在在的好处，证明支付溢价是合理的，或者合适的气体雾化粉末是否同样适合目的？

在粉末制造方面，气体雾化粉末在形态方面可能表现出相当大的可变性，具体取决于工艺细节和优化程度。因此，制造商还需要量化优越颗粒形态的价值，以了解在产品差异化方面可以获得什么。通过适当的优化，气体雾化产品与等离子雾化替代品竞争的效率如何？

使用扫描电子显微镜和图像分析等技术，形态差异很容易看到和量化，但结果并不能直接说明过程中的性能。正如这些示例研究所示，测量散装粉末特性（如粉末流动性）可带来互补的见解，有助于以与工艺相关的方式量化形态的影响。

Markusson 1（吕勒奥科技大学，瑞典吕勒奥）在与 GKN Aerospace Engine Systems（瑞典特罗尔海坦）合作进行的一项研究中，对五种商用 Inconel® 718 粉末进行了详细的物理评估；还进行了印刷试验。主要目的是确定四种选择中的一种是否可能是 GKN 已经在激光熔体沉积 (LMD) 应用中使用的粉末的合适替代品。

在这项工作之前，GKN 制定了一个规范，其中包括成分、制造方法、霍尔流动指数和粒度。所有五种粉末均符合此规范。这并不是说它们是相同的，只是任何差异都不足以使粉末超出既定规格，从而限制了其差异化价值。

有趣的是，粉末 A 和粉末 C、PA 和 GA 之间的差异分别小于 GA 样品之间的差异，这说明了 GA 材料可能的性能范围。这些数据很容易证明使用粉末 C 进行试验是合理的，其结果将证实其适用性。

这些结果证明了动态粉末特性和条件堆积密度数据在量化形态差异的影响和以相关方式区分供应方面的价值。颗粒孔隙数据也被证明与粉末性能有关，尤其是在印刷质量方面。

区分和优化气体雾化粉末

前面的研究强调了 GA 金属粉末供应之间的可变性范围，以及通过扩展优化气体雾化以提高性能的机会。Chu 等人2的第二项研究进一步证明了动态粉末测试对支持此类工作的价值。这些研究人员获得了两批在不同气体雾化条件下生产的 AlSi10Mg 粉末，并研究了它们在激光粉末床融合 (LPBF) 打印中的性能。第 1 批是使用 180 o C 的熔体过热度和 1.8 * 10 6 Pa的雾化气体压力生产的，而第 2 批是在较低的熔体过热度 110 o C 和较高的雾化压力 3.5 * 10 6下生产的霸。

制造条件的这种显着差异对颗粒形态产生了重大影响。第 2 批远不如第 1 批规则，有更多非球形颗粒、团聚和卫星的证据。与之前的研究一样，使用 FT4 Powder Rheometer® 进行的测量量化了这些差异的影响，而传统的粉末测试方法却没有。应用了两种传统的粉末流动测试——休止角和霍尔流动指数。休止角 (RA) 没有提供批次之间的可靠区分，而霍尔流动指数测试在两种情况下都给出了“无流动”结果。粉末不足以自由流动以通过漏斗并且没有产生结果。

相比之下，动态、剪切和体积密度测量表明第 1 批在印刷应用中表现出色（见图 2）。它在一系列条件下（基本流动能 (BFE)、比能 (SE)、充气能 (AE) 和固结能 (CE)）表现出更好的流动性，具有较低的内聚力 (CS)、较低的可压缩性（可压缩性指数 – CI）和更高的条件堆积密度 (CBD)。这些数据表明，批次 1 将更容易在打印机内流动并产生更有效的包装层，这是更好打印质量的先决条件。印刷试验证实了第 1 批的优越性，印刷样品表现出更高的质量/更少的缺陷。这些结果再次表明合适的散装粉末测试能够将形态特性转化为工艺相关参数的可量化收益。

综上所述

金属粉末制造商知道如何改善颗粒形态，如何提供更光滑、更球形的颗粒，从而提高打印质量，但这种改进是有代价的。这使得了解任何收益的价值变得至关重要。通过评估 SEM 显微照片，很容易看到颗粒形态的改善，但无法评估其重要性。这是散装粉末测试发挥重要作用的地方。通过测量正确的特性——尤其是动态流动特性——可以确定形态的改进是否真的会对印刷性能产生影响。散装粉末测试使您可以量化您的需求，并以最具成本效益的方式确定满足这些需求的供应，无论它是由什么制成的。