增材制造的粉末流动性表征试验方法标准——ASTM标准研究进展解析

金属粉末是金属3D打印技术发展的重要基础,尤其是粉床熔融(烧结)增材制造。目前对于金属粉末的研究主要集中在钛合金、不锈钢、镍基高温合金。金属粉末的发展程度一定程度上制约着金属增材制造技术的发展。

本文作者

栗晓飞,博士,微信号somehand1977,现就职于中国航空综合技术研究所。

剪切性、动态流动性、 松散性

粉末包括了以下独特的材料组分,固体(实体颗粒)、液相(存在于颗粒表面或结构内部的水分)以及气相(颗粒之间的空气)。因此,粉末是一种组成复杂的材料组合体,拥有各种组合体及其组合所带来的不同属性,无法用简单、单一的参数来进行描述。

3D打印粉末

当粉末成为增材制造原材料进入整个制造过程时,其各类属性及性能就对于增材制造工艺的效能以及最终产品性能及质量产生了重要的影响。设备操作人员需要选择与设备及工艺相匹配的粉末,或者根据粉末的性能来调节设备参与及工艺参数,从而将生产效率及产品质量最优化。

在增材制造过程中,通常情况下工业中应用的单独的颗粒物理性能测量不能充分、全面地表征粉末性能,在给定工艺条件下,经常出现具有相同粒径分布的粉末,其成形后零件性能完全不同的现象。同时,现有测试技术也没有考虑到粉末在工艺环境下所受的应力及流动性变化等规律。

3D打印材料

目前ISO 17296-3中针对于增材制造用粉末原材料规定的技术要求包括:化学成分、粒度及分布、形态、比表面积、流动性、松装密度、振实密度等。国内也正在开展相关国家标准的制定工作,基本思路是转化ISO标准,同时将引用标准尽量以国内标准进行替代。另一方面,针对于增材制造粉末流动性方面,国内普遍采用的依然是GB/T 1482-2010《金属粉末流动性的测定标准漏斗法(霍尔流速计)》,但该方法在实际应用实践表明,其敏感性、区分性及数据重复性并不理想,未考虑到粉末在增材制造工艺过程实际应用中所处的环境及条件。

ASTM WK55610 工作组目前正在开展针对于增材制造工艺性能相关的粉末性能表征及其测试方法的标准编制,期望给出可重复的、具有良好再现性的测试程序及方法,并且将这些性能的测试灵敏度及测试精度定量化。

由于粉末性能的复杂性,大量的性能参数都会对粉末性能产生影响,在标准编制过程中,工作组目前初步将粉末性能大致分为四个方面:

1)粉末如何从静态转变为动态?

2)运动中的粉末行为是什么样的?

3)受到固结应力时粉末变化如何?

4)空气通过粉末床的松散粉末的难易程度如何?

将这四方面的性能定量化,对于粉末生产方及使用方来讲,可以全面评价并给出在任意增材制造工艺环境下的粉末性能。这四方面的粉末性能可以通过下面的三组性能测试来进行表征:

1)剪切性能(表征粉末如何从静态转变为动态);

2)动态流动性能(运动中的粉末行为);

3)松散性能(固结载荷对于粉末的影响以及空气如何在粉末中通过)。

依据这三组性能的测试要求,该标准主要考虑剪切性能(粉末间及粉末与容器壁间)测试、动态流动性能测试、以及松散性能(松装密度、固结性、通气性)测试等几类测试方法以及相应推荐的仪器设备。

通过该标准的编制、发布及未来实施,将对增材制造用粉末流动性能评估方面提出指导性建议,为粉末制造商、供应商乃至设备制造商及终端用户提供完整、全套的粉末流动性表征试验方案指导。

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