基于增材制造的粉末流動性表征試驗方法標準-ASTM標準研究進展解析

金屬粉末是金屬3D打印技術發(fā)展的重要基礎，尤其是粉床熔融(燒結)增材制造。目前對于金屬粉末的研究主要集中在鈦合金、不銹鋼、鎳基高溫合金。金屬粉末的發(fā)展程度一定程度上制約著金屬增材制造技術的發(fā)展。

剪切性、動態(tài)流動性、 松散性
粉末包括了以下獨特的材料組分，固體（實體顆粒）、液相（存在于顆粒表面或結構內部的水分）以及氣相（顆粒之間的空氣）。因此，粉末是一種組成復雜的材料組合體，擁有各種組合體及其組合所帶來的不同屬性，無法用簡單、單一的參數來進行描述。

當粉末成為增材制造原材料進入整個制造過程時，其各類屬性及性能就對于增材制造工藝的效能以及最終產品性能及質量產生了重要的影響。設備操作人員需要選擇與設備及工藝相匹配的粉末，或者根據粉末的性能來調節(jié)設備參與及工藝參數，從而將生產效率及產品質量最優(yōu)化。

在增材制造過程中，通常情況下工業(yè)中應用的單獨的顆粒物理性能測量不能充分、全面地表征粉末性能，在給定工藝條件下，經常出現(xiàn)具有相同粒徑分布的粉末，其成形后零件性能完全不同的現(xiàn)象。同時，現(xiàn)有測試技術也沒有考慮到粉末在工藝環(huán)境下所受的應力及流動性變化等規(guī)律。

目前ISO 17296-3中針對于增材制造用粉末原材料規(guī)定的技術要求包括：化學成分；粒度及分布；形態(tài)；比表面積；流動性；松裝密度；振實密度等。國內也正在開展相關國家標準的制定工作，基本思路是轉化ISO標準，同時將引用標準盡量以國內標準進行替代。另一方面，針對于增材制造粉末流動性方面，國內普遍采用的依然是GB/T 1482-2010《金屬粉末流動性的測定標準漏斗法(霍爾流速計)》，但該方法在實際應用實踐表明，其敏感性、區(qū)分性及數據重復性并不理想，未考慮到粉末在增材制造工藝過程實際應用中所處的環(huán)境及條件。

ASTM WK55610 工作組目前正在開展針對于增材制造工藝性能相關的粉末性能表征及其測試方法的標準編制，期望給出可重復的、具有良好再現(xiàn)性的測試程序及方法，并且將這些性能的測試靈敏度及測試精度定量化。

由于粉末性能的復雜性，大量的性能參數都會對粉末性能產生影響，在標準編制過程中，工作組目前初步將粉末性能大致分為四個方面：

1、 粉末如何從靜態(tài)轉變?yōu)閯討B(tài)？
2、 運動中的粉末行為是什么樣的？
3、 受到固結應力時粉末變化如何？
4、 空氣通過粉末床的松散粉末的難易程度如何？

將這四方面的性能定量化，對于粉末生產方及使用方來講，可以全面評價并給出在任意增材制造工藝環(huán)境下的粉末性能。這四方面的粉末性能可以通過下面的三組性能測試來進行表征：

1、 剪切性能（表征粉末如何從靜態(tài)轉變?yōu)閯討B(tài)）；
2、 動態(tài)流動性能（運動中的粉末行為）；
3、 松散性能（固結載荷對于粉末的影響以及空氣如何在粉末中通過）。

依據這三組性能的測試要求，該標準主要考慮剪切性能（粉末間及粉末與容器壁間）測試、動態(tài)流動性能測試、以及松散性能（松裝密度、固結性、通氣性）測試等幾類測試方法以及相應推薦的儀器設備。

通過該標準的編制、發(fā)布及未來實施，將對增材制造用粉末流動性能評估方面提出指導性建議，為粉末制造商、供應商乃至設備制造商及終端用戶提供完整、全套的粉末流動性表征試驗方案指導

本文作者：栗曉飛 博士（中國航空綜合技術研究所）
來源：3D科學谷
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