广州纳联:金属球形3D打印粉体含水量与流动性探索实验

南极熊前言：金属3D打印的市场现在很火热，生产金属粉末材料的厂家也不断冒出水面，其中有不少是做传统金属粉末材料的工厂，也看到了这块蛋糕，开始杀入市场，而且价格非常低。

在一次交流中，有人告诉南极熊，现在的金属3D打印粉末材料，有人卖到50元/kg了，比FDM的PLA线条材料还要便宜，但质量就不可恭维。有人买回去用了叫苦不迭！

但是，质量好的、可以达标的金属3D打印粉末材料，价格一般也得几百元1kg。一分钱一分货啊。


下文是广州纳联材料（主营金属3D打印粉末材料制备和销售）向南极熊的投稿。

金属粉末是金属3D打印的原材料，而粉末材料在平常的保存中与空气接触，空气中含有的水分对金属粉末有什么样的影响呢？我们增加粉体水含量和减少粉体水含量的方法对粉体湿度、流动性、氧含量等参数进行测量分析，为粉体存储及使用前处理提供指导和借鉴。

3D打印技术对粉体的流动性要求很高，粉体流动性影响因素主要有五大类：
1）粒度：粉体比表面积与粒度成反比，粉体粒度越小，则比表面积越大。随着粉体粒度的减小，粉体之间分子引力、静电引力作用逐渐增大，降低粉体颗粒的流动性；其次，粉体粒度越小，粒子间越容易吸附、聚集成团，黏结性增大，导致休止角增大，流动性变差；再次，粉体粒度减小，颗粒间容易形成紧密堆积，使得透气率下降，压缩率增加，粉体的流动性下降。

2）形态：除了颗粒粒径以外，颗粒形态对流动性的影响也非常显著。粒径大小相等，形状不同的粉末其流动性也不同。显而易见，球形粒子相互间的接触面积最小，其流动性最好。针片状的粒子表面有大量的平面接触点，以及不规则粒子间的剪切力，故流动性差。

3）温度：据报道：热处理可使粉末的松装密度和振实密度增加。这是因为，温度升高后粉末颗粒的致密度提高。但是当温度升高到一定程度后，粉体的流动性会下降，因为在高温下粉体的黏附性明显增加，粉粒与粉体之间或者粉体与器壁之间发生黏附，使得粉体流动性降低。如果温度超过粉体熔点时，粉体会变成液体，使黏附作用更强。

4）水含量：粉末干燥状态时，流动性一般较好，如果过于干燥，则会因为静电作用导致颗粒相互吸引，使流动性变差。当含有少量水分时，水分被吸附颗粒表面，以表面吸附水的形式存在，对粉体的流动性影响不大。水分继续增加，在颗粒吸附水的周围形成水膜，颗粒间发生相对移动的阻力变大，导致粉体的流动性下降。当水分增加到超过最大分子结合水时，水分含量越多其流动性指数越低，粉体流动性越差。

5）颗粒间的相互作用：粉体间的摩擦性质和内聚性质对粉体的流动性同样用着很大的影响。粒度和形态不同的粉体，其内聚性和摩擦性对粉体流动性的影响程度是不同的，当粉体粒度较大时，粉体流动性主要取决于粉体的形貌，这是因为体积力远大于粉粒间的内聚力，表面粗糙的粉体颗粒或是形态不均匀的粉体颗粒的流动性都较差。当粉体颗粒很小，粉体的流动性主要取决于粉体颗粒间的内聚力，因为此时的体积力远小于颗粒间的内聚力。

1. 实验
实验着重研究水含量对粉体流动性的影响，分别用增加水含量和降低水含量的方法对粉体流动性进行研究。实验对象为本司气雾化方法生产的316L球形金属粉末，粒度分布D10=16.68μm，D50=27.82μm，D90=47.07μm。
增加水含量实验为将同一批粉末分为均等质量的三份分别存储在不同湿度恒定的环境下存储，用湿度计测试粉末湿度，并测量粉末的流动性，观察粉末湿度对流动性的影响。如表1所示。

表1 增加水含量实验表

降低水含量的方法采用烘干方法，取同一批粉末，分别对烘干温度、烘干时间、烘干氛围、烘干重量等进行实验，研究不同条件下粉末流动性的影响规律。如表2所示。

表2 减少水含量实验表

测试设备：粉末湿度——粉体湿度计，环境湿度——温湿度计，流动性——霍尔流速计，氧氮含量——ON3000氧氮分析仪。
2. 数据分析
2.1 增加水含量实验结果
粉末原始湿度为54.06%RH，流动性用霍尔流速表征为27.53 s/50g，测试环境湿度为56%RH，温度为室温。原始粉末分别在四种设定的室温恒湿条件下存放，测试粉末湿度及四个参数下终态粉末的流动性。粉末湿度变化如图1所示，粉末流动性如表3。
当环境湿度大于粉末湿度时，环境水含量直接影响粉体的水含量，且由于粉体颗粒比表面积大，环境湿度对粉末湿度影响时间较短，放置在特定湿度环境下的粉末经过很短时间立即变为环境湿度。当环境湿度低于粉末湿度时，短时间的室温条件下，粉末湿度不随环境湿度下降而降低。且环境湿度在70%RH粉末流动性较差，环境湿度为85%RH时粉末无流动性。

表3 粉末湿度及流动性

图1 粉末湿度随时间变化数据

2.2 减少水含量实验结果
减少粉末水含量最直接的方法是将粉末中的水分加热，使水分脱离粉末。通过对加热温度、加热时间、加热氛围、每次加热粉末量进行研究，掌握粉末烘干规律。
2.2.1 烘干温度
不同烘干温度下粉末流动性均有所提高，在温度达到120℃和160℃时烘干效果较好，流动性得到较大提高。粉末氧含量在各个温度下烘干均无明显增加。

图2 烘干温度与流动性

2.2.2 烘干时间

图3 烘干时间与流动性

随着烘干时间延长、水蒸气蒸发量越大、烘箱内压力升高；烘干后的粉末本身水含量减少、流动性均较未烘干粉末流动时间短、流动性好。在120℃真空下烘干8h时粉末流动时间减少了8.43s。
2.2.3 烘干氛围
如图4所示，不同烘干氛围条件下，非真空烘干均较真空烘干条件流动性要好，且流动性的提高量较高。原因可能是敞开环境，高温下有利于水蒸气蒸发，更快的将水蒸气带离了金属颗粒表面，使金属颗粒更干燥。
如图5所示，无论在真空条件下烘干和非真空条件下烘干，还是烘干时间长短；粉末的氧含量均无明显增加。

图4 烘干气氛与流动性

图5 烘干气氛与氧含量

2.2.4 烘干重量
由图6可以看出，烘干时间一定，随着烘干粉末质量增加、其烘干的厚度增加，流速时间也加长，但总体来讲烘干是有提高粉体流动性的。

图6 烘干粉末重量与氧含量

3. 结论
1）当环境湿度大于粉末湿度时，使粉末流动性变差；当环境湿度小于粉末湿度时，粉末湿度不会立即降低；本实验条件下，此粒径段粉末对环境湿度较为敏感，当环境湿度高于70%RH时流动性变差甚至无流动性
2）随烘干温度的增加粉末烘干后流动性提高，且160℃以下烘干均不会增加316L粉末的氧含量；真空烘干时，随着烘干时间延长，粉末流动性变好；当延长至12h，粉末流速不变；真空干燥和非真空干燥两种烘干氛围相比，非真空干燥的干燥效果更好；在120℃条件下烘干，烘干气氛和烘干时间均不会对粉末氧含量造成不良影响；一次粉末烘干重量增加，烘干粉末厚度增加，烘干效果变差。
3）建议对流动性要求高的不锈钢粉末，在环境湿度为60%RH以下密封保存；若流动性较原始状态差时，可采用适宜温度进行烘干处理。

参考文献：
[1] Malcolm K. Stanford and Christopher DellaCorte Effects of Humidity on the Flow Characteristics of a Composite Plasma Spray Powder [J] Journal of Thermal Spray Technology. Volume 15(1) March 2016:33-36
[2] Ajit Mujumdara, Dongguang Weia, Improvement of humidity resistance of magnesium powder suing dry particle coating [J] Powder technology 140(2004)86-97.

作者：李爱红，陈智铭，王力强，汤鑫 （ 广州纳联材料科技有限公司）