综述：粉末原料特性对SLM打印零件性能影响的研究（1）

南极熊导读：金属增材制造(AM)凭借其设计自由和减少复杂零件生产过程中繁琐的加工操作的优势，已经开始在各个高价值行业领域广泛应用。粉末床熔化(PBF)技术的使用，如选择性激光熔化(SLM)也提高了材料的使用效率，其中未熔化的颗粒颗粒在每次成型后都是可回收的，这与传统的减材方法形成了对比。然而，在不同的工艺阶段，粉末特性往往会偏离其预处理状态，这可能会影响原料行为和最终产品质量。

粉末原料的物化特性特别需要注意，包括粒度和形貌，必须严格控制，因为它们对粉末流动性、填料行为以及其他相应属性都会产生影响，这些属性共同影响了材料沉积和随后的激光烧结过程。尽管目前的研究主要集中在对打印工艺参数（激光功率、舱口间距、扫描速度、扫描策略等）的细化，以优化SLM过程，但为了进一步扩大金属增材技术在工业上的应用，探索粉末粒度等相关特性变化对零件成形性能的影响机制，并解决与粉末变化有关的各种可靠性和质量问题也是至关重要的。本文综述了金属AM原料的研究进展和与选择性激光熔化工艺相关的各种粉末特性，重点讨论了粉末粒度测定对原料和最终零件性能的影响。

1 金属材料增材制造的发展历程

如今，增材制造技术(AM)在医疗、航空航天和汽车行业得到越来越多的应用，用于制造具有复杂结构的原型和功能部件，同时消除了传统加工技术不断面临的几何约束。AM工艺在1980年末首次作为快速原型(RP)解决方案被引入，它基于各种层构建和材料整合方法，以生产用于可视化和原型设计目的的快速设计到部件模型。这种多功能技术提供了广泛的材料巩固机制，包括立体光刻(SLA)，层压物体制造(LOM)，熔融沉积建模(FDM)，选择性激光烧结(SLS)和3D打印(3DP)，它们共享层制造(LM)的共同工作原理。

增材制造已经诞生二十年有余，技术进步和严格的工业需求迫使AM方法转向快速制造(RM)和快速模具(RT)。因此，传统的RP技术的制造能力得以扩展，生产出材料和机械性能可与传统制造相媲美的直接应用部件。目前，AM技术专注于开发实际的最终用途工业应用，如注塑工具，牙科种植和航空发动机部件。金属AM工艺的目标是实现这些目标，结合设计灵活性、多材料集成以及轻量化的可能性，生产高价值的部件。

1.1 金属AM材料及分类

金属粉末、丝材和薄板材料是金属AM工艺中常见的原料形式，这也区分了商业化技术的各自构建原理和材料结合模式(见图1)。大多数金属AM工艺都属于粉末基系统，包括粉末床融合(PBF)、直接能量沉积(DED)和粘结剂喷射，它是利用颗粒粉末作为主要原料实现零件成形。其中PBF和DED技术是利用高能源(如激光或电子束)直接熔化粉末材料，实现零件的全致密；而粘结剂喷射则是将粉末颗粒用粘合剂凝固，然后进行烧结后和二次熔渗恢复零件密度。基于粉末的方法的材料沉积也不同，PBF和粘结剂喷射工艺涉及在材料固化之前将原料涂覆在床基板上，而DED利用同轴喷嘴和光束几乎同时进行粉末输送和熔化。特别是PBF技术，包括选择性激光熔化(SLM)和电子束熔化(EBM)工艺是直接制造高质量金属零件的首选方法。相比之下，SLM在惰性气体环境(如Ar或N)下使用Nd: YAG光纤激光器(200 - 400w)，而EBM则需要在真空条件下使用聚焦电子束(60kw)。虽然这两种技术都能够生产出接近净形状的金属部件，但SLM通常能够生产出比EBM更高的精度和更好的表面质量，但往往以更长的制造时间和更高的残余应力为代价。虽然主要原因可能是SLM中使用的粉末粒度相对较细，但在工艺探索过程中，粒度分布(粒度测定)对粉末行为和由此对零件质量造成的影响仍不清楚。

图1 金属增材制造的分类（依据打印材料）

1.2 选择性激光熔化研究

众所周知，金属增材制造中的SLM技术和其他PBF工艺对制造部件之前使用的工艺和材料输入都很敏感。因此，许多已发表的著作都集中在解决主要的关键工艺参数，包括激光功率、扫描速度、层厚和舱口距离，扫描策略的控制，以产生适合加工不同类型金属材料的能量强度。现有的研究还综述了SLM生产零件的力学性能，不同取向、构建布局、扫描策略导致的零件性能变化，以及在SLM加工过程中遇到的常见问题和缺陷，这些问题和缺陷与其复杂的冶金现象密切相关。为了解决过程的复杂性并理解SLM中发生的热-机械相互作用，King等人开发了许多数值模拟模拟和有限元方法，并对其进行了评述。对于SLM中使用的材料，当在处理过程中首选使用更细的粉末时，可以实现具有更好分辨率的部件。然而，相对于粉体粒度分布在常规烧结研究中的重要性，人们对粉体粒度分布的影响重视较少。

最近，研究人员开始花费相当大的努力来量化金属AM中使用的原料性能，以验证粉末材料的几个关键特征，AM粉末生产方法以及用于AM原料表征的计量技术。然而，根据作者的知识，粉末粒度分布(粒度)与其他材料参数(堆积密度、流变学、热性能等)之间的相互关系，以及由此产生的机械性能和所生产零件的微观结构之间的相互关系并没有很好地被理解。在本文中，将首先概述SLM过程以及其在零件组装过程中遇到的现有问题。接下来，将介绍金属AM粉目前的进展，包括各种粉末属性及其各自对SLM工艺的影响。最后，讨论了粉末粒度的变化对粉末和零件性能的影响。

2 选择性激光熔化

2.1 过程描述

选择性激光熔化（SLM）技术的开发起源于2000年的快速原型制作（RM/RT）方法，随着使用AM技术生产工业级金属部件的需求日益增加，从以前的原型系统发展出巩固能力。与许多AM方法类似，SLM过程从三维CAD/STL文件中提取设计信息，该文件通过计算机软件进行数字转换并切成薄的几何层。然后，镜子引导的激光源扫描惰性气体生成腔内的粉末层，在沿着z轴以预先分配的厚度下降生成平台之前，选择性地熔化粉末层表面上的目标区域，以便发生下一个沉积。该工艺要求将初始粉末层熔合到基板上，并在构建平台上进行初始调平，然后将后续粉末层按顺序堆叠在固化层上，直到最终部分完成。SLM技术使用高功率激光直接将粉末颗粒熔化到熔融状态，并产生接近致密的零件，而无需像SLS系统中所看到的那样进行冗长的后处理。然而，最小应力消除热处理和表面加工操作可能仍然需要优化零件的功能。此外，SLM中的零件优化通常需要控制关键工艺参数，包括：
(1)激光功率
(2)扫描速度
(3)舱口间距
(4)激光生成能量密度E (J/mm3)
以上参数由公式(1)表示：

这里P（W）代表所使用的激光功率，v(mm/s)代表扫描速度，h(um)是指舱口扫描轨迹间距，t(um)指层厚。表1列出了用于生产普通金属材料(如不锈钢316L)的高质量部件的能量密度值。不同的材料类型和机器所使用的能量密度也会由于材料的热历史以及用于产生零件的辐照源的不同而有很大的差异。同时，SLM仍然是一种技术上仍具有挑战性的固结技术，这也限制了其适用范围较窄，目前该技术可加工的常见结构合金也只是包括钢、钛、铝和镍这几种。

2.2 冶金结合原理

SLM过程中的材料固结与传统的铸造操作不同，后者的熔化-凝固机制在很大程度上取决于快速的温度变化、重力效应和没有外部压力的熔体对流。图2显示了典型的SLM过程中发生的热机械反应：激光束扫过并撞击在层层堆积的沉积粉末颗粒。激光源产生的高热辐照能量通过体偶联和粉末偶联手段迅速被暴露的粉末颗粒吸收，随后熔化，形成半分段的金属熔池。在Marangoni对流下，熔体池的表面张力梯度根据局部温差驱动热毛细运动，熔体池中心最靠近束点(较热的区域)的液体将被输送到熔体边缘(较冷的区域)。由于熔池有效地从激光束中流动，它表现出负表面张力梯度，从而产生浅而均匀分布的液体质量。随后，在熔池边界处分离的液体会聚集足够多的表面能，然后流回加热区域，完成对流循环。在这种热毛细管作用下，熔融金属进一步穿过粉末颗粒层，加入预先固结的底层，并在大约10^6k/s的冷却速率下迅速凝固。

图2 马兰戈尼对流

2.3 选择性激光熔化过程中存在的问题

尽管具有柔性制造的优点，但SLM仍然是一个复杂的冶金工艺，受到各种缺陷和与工艺或材料变化相关的问题的影响，这些问题严重影响了最终的零件制造质量。

2.3.1 残余应力

与SLS相比，SLM中使用的更高的辐照能量会产生更大的热梯度，后者会增加零件成形过程中的残余应力积累，这些应力会传播到多个构建层，并可能导致严重的热变形——分层或变形，如部分翘曲(参见图3)。在SLM中，快速熔化和凝固循环会在固化材料中引入大的热波动，这影响了压缩和拉伸条件。SLM过程中残余应力的形成主要有两个热机制:
(1)温度梯度机制(TGM)；
(2)冷却阶段；

图3 由于残余应力可能导致的零件失效

基于TGM技术，在激光照射下，熔化层下面的预凝固材料迅速升温，很容易膨胀，但受固化块冷硬部分的限制。局部辐照区域热膨胀的限制可能会产生残余压应力，导致塑性变形，如果应力水平超过材料的允许屈服强度(见图4)。在冷却阶段，熔化层冷却并收缩，收缩作用再次被下层抑制，导致上部区域的拉应力和底部区域的压缩。因此，在激光间歇作用下的循环膨胀和收缩都会导致残余应力的积累，根据以往的研究，最大的拉应力往往出现在最终沉积层的表面，可能超过母材的屈服点。研究人员还开发了应力预测工具、工艺细化方法和扫描策略，以解决由热变形引起的零件变形问题，从而最大限度地减少SLM组件中产生的残余应力。

图4 温度梯度机制(左)冷却阶段(右)

2.3.2 球化效应

球化效应是SLM工艺中常见的缺陷，它会破坏层间结合，导致气孔，降低所生产零件的表面质量。这种不利影响通常来自于使用高扫描速度(低相应的能量密度)，它会产生一个细长的熔池，在瑞利不稳定性下会破裂以降低表面张力，同时形成大量的细小金属球(10um)，沿着融化路径交错，见图6。在激光功率不足的情况下也会产生球化现象，因为部分熔化的粉末会产生尺寸较粗的球(500um)。此外，在粉末颗粒表面发现的氧和氢等间隙成分或在构建气氛中循环的溶解元素会破坏熔池表面张力，从而导致球化。这种间隙的存在逆转了熔池表面的毛细管运动，迫使熔融液体在正表面张力梯度下向熔池中心流动，并对球化产生不利的润湿条件。根据先前的研究，激光重熔(LSR)、加入脱氧杂质和提高激光功率聚变已表明可以将污染最小化并调节表面张力。

图5 球化效应

2.3.3 蒸发现象

在超过能量密度阈值的水平发生的激光聚变可能导致金属流体蒸发增加，超过材料的熔点，产生有助于等离子体形成的金属蒸汽。蒸发现象通常被称为“匙孔效应”(参见图6)，深度激光束通过蒸汽空隙穿透粉末床，形成一个大的熔化池，也会造成球化现象。例如，在低扫描速度条件下可能会出现能量密度过高的情况，长时间的激光照射会导致熔池沸腾，破坏其稳定性，产生小的金属球。强烈的反冲压力也会引起粉床的剥落，同时马兰戈尼对流（Marangoni）也会促使熔池进一步进入粉层，形成凹陷。在冷却过程中，凹陷侧壁的破裂会留下不规则的气孔，导致层间融合不良。此外，熔体飞溅和低粘度熔体的喷射也可能在快速膨胀和反冲力的作用下产生，从而降低零件表面质量和破坏涂布器的性能。

图6 熔融匙孔模型

3 增材制造用金属粉末

许多高价值行业正越来越多地寻求将金属AM系统纳入他们的生产线，以便探索生产高价值和复杂形状金属部件的优势和能力。原料市场也将随着金属AM系统(包括SLM和EBM)的普及而呈指数增长，其中金属粉末是零件生产的主要材料资源。尽管与传统的粉末加工方法如粉末冶金(PM)和金属注射成型(MIM)相比，目前基于金属的AM粉末市场仍然相对较小，但日益增长的市场趋势将为原料生产商创造更多的机会，从而更加重视开发用于金属AM应用所需的精制优质粉末。

3.1 粉末制备技术

尽管与PM和MIM相比，AM工艺需要球形粉末来实现高的表观密度和平滑的流变特性，但原料生产方法相对类似，这在金属粉末成形工艺中是开源化的。现有的粉末雾化技术包括气雾化、水雾化、等离子雾化、等离子旋转电极雾化、离心雾化以及氢化脱氢工艺来制备可用的金属原料。根据各自的加工方法和所使用的大气条件，在不同的雾化技术范围内，所生产的粉末的性能从粉末大小、形态、粒度分布到化学成分不等。在应用方面，气体雾化(GA)粉末通常是SLM加工的首选，因为与水雾化(WA)颗粒相比，它们表现出更高的球形度，这是由于在雾化过程中热容量较低和淬火速度较慢(见图7)。尽管WA粉末的形态不规则，表观密度较低，但在SLM中仍可通过工艺微调来制造完整的零件，这一点在第4.1节进一步讨论。然而，WA级的高氧化物含量仍然是一个关键问题，其中高活性金属粉末，如钛合金，很少通用这种生产。相反，反应性和特殊粉末材料有时是通过等离子体旋转电极工艺(PREP)、等离子体雾化(PA)和等离子体球化技术来生产的，这些技术保证了高球形和纯化的粉末。据报道，与GA级相比，等离子体加工的原料在尺寸分布上表现出更高的球形度和均匀性。因此，等离子体制备粉末的应用主要见于对SLM Ti6Al4V的研究。虽然等离子加工高品级粉末的堆积密度和流动行为更有利于AM加工，但也有报道表示，高品级粉末生产的零件性能与GA粉末没有明显差异。这可能会鼓励消费者继续使用普通等级，因为等离子路线制备的粉末相对更贵。同时，研究和行业参与者也在研究通过WA工艺来提高球形颗粒收率的各种手段，以及热喷涂方法，寻求具有成本效益的原料生产解决方案，降低AM粉的成本。

图7 气体雾化（左）vs水雾化粉末（右）

3.2 商业化粉末制备厂商

现有AM粉末制造商主要由机械制造商(OEM)、OEM批准的第三方供应商和普通粉末制造商组成。机器原始设备制造商通常将用户限制在定制的专有原料范围内，而粉末改性或广泛的原料研发空间有限。或者，粉末材料可以从原始设备制造商认证的外部供应商购买，但可能仍然相对昂贵。然而，一个更节省成本的途径是直接从一般粉末制造商那里采购，但这通常需要在实际SLM生产开始前进行进一步的试验步骤，在此过程中也可能出现材料不一致的情况。此外，专有原料有指定的粉末属性(粒度，粒度分布，化学成分等)，通常用于定制过程和指定的材料应用场景。由于粉末的制备方法不同，使用非OEM提供的原料可能导致最终产品性能比不上专有级的最佳。有案例表明，尽管在同一组参数下进行处理，特别是在低激光功率和慢扫描速度条件下，OEM和非专利粉末(94-96%)的部分致密化行为存在差异。此外，研究原料变化对SLM加工的影响的困难是由于缺乏公开的粉末表征细节，这些细节通常是由于竞争原因而未披露的。由于粉末实验不足，很难在所有AM材料中建立通用的粉末要求，以验证和评估制造环境。

3.3 粉末原料方面现有的问题、缺口和需求

近年来，许多战略努力主要集中在通过工艺改进来优化零件组装，如提高激光功率、降低扫描速度、舱口间距和层厚，这些都得到了很好的证明。然而，随着金属AM的快速发展，研究各种粉末特性的影响并建立与这些工艺窗口的相关性是十分必要的。在SLM工艺的不同阶段，由于环境、机械和热干扰，粉末特性经常受到不可预见的变化，这些变化影响到零件的致密化、机械性能、表面质量和微观组织。为了确保重复加工过程中的质量和一致性，大量的研究工作都集中在开发合适的测量工具和表征方法上，这些工具和表征方法用于确定和量化单个粉末的性质。由于需要通过原料再利用来提高材料效率，粉末回收技术也受到越来越多的关注，以尽量减少污染和其他粉末的一致性问题，这些问题会影响化学反应性金属合金的机械性能。许多物理、数值和热学模型也被开发出来，以通过模拟分析打破SLM过程中激光与粉末相互作用的复杂性，但需要额外考虑从加工前、加工中到加工后的粉末转化过程，以验证原料变化和最终零件性能之间的关系。

因此，回顾现有文献中粉末特性变化的影响是很重要的，这有助于确定粉末材料优化的领域，并支持当前的热机械模拟模型，以完善过程预测能力。