不锈钢具有耐腐蚀、抗拉强度高和维护成本低等多种特性，因此应用场景广泛。许多不锈钢零件制造技术中会涉及到粉体的使用，例如热等静压、注塑成型或增材制造。其中一种成熟的粉体生产方法是雾化法，即将液体（即熔融金属）分解成细小的喷雾，然后冻结成粉体。根据雾化步骤所使用的介质，常见的技术可分为水雾化、气体雾化或等离子雾化。
这三种雾化技术需要在成本和质量之间进行平衡。水雾化技术成本较低，但生产出的颗粒粗糙且不规则，可能含有杂质氧化物或氢氧化物。等离子雾化可生产出几乎标准的球形颗粒，但成本较高。气体雾化是一种折中选择，它产生的颗粒球形度几乎与等离子体雾化相似，但通常含有卫星颗粒，有一定的污染程度。每种方法生产出的粉体在形状（其次是成分）上的不同会导致它们的流动特性具有明显差异，从而影响应用场景的适用性。
我们研究了三种 CarTech® 316L 不锈钢粉末（Carpenter Technology），分别用于激光粉末床熔融和直接能量沉积这两种增材制造方法。名为粉体 1 和粉体 3 的样品均通过气体雾化法生产，之后分别分离成较小和较大粒径等级的颗粒，而粉体 2 则是通过水雾化法生产。
Micromeritics FT4 粉体流变仪作为一款通用型粉体流动性测试仪，能够对粉体流动特性进行自动、可靠和全面的测量。这些信息也能够与工艺经验相关联，以提高加工效率并帮助质量控制。FT4 具有针对动态流动特性的模块，它还配有一个剪切池，能够测量密度、可压性和透气性等整体特性。此文使用 FT4 粉体流变仪对三种不锈钢粉体进行了分析，结果表明它们之间存在明显、可重复的差异，这些差异可与加工过程中的性能相关联。
FT4 粉体流变仪测试结果
在 FT4 粉体流变仪中进行的所有测试都先经过预处理程序，以确保在测量流动特性之前样品堆积状态的一致性。预处理程序消除了样品的应力历史状态，减少了先前振动、加工和处理条件的影响。
· 整体特性
松装密度是单位体积内粉体的质量，由构成的固体材料的颗粒、夹带的空气和微量水分组成。由于这三种粉体使用相同的不锈钢原料生产，因此假定颗粒的真密度相同，均为7.94 g/cm3。预处理松装密度 (CBD) 说明了颗粒在预处理后的状态下是如何在重力作用下相互移动和堆积。
粉体 3 的堆积效率高，固体颗粒占粉体体积的 60%。粉体 1 的颗粒具有相似的球形，但其堆积效率略低，仅为 57%，这可能是内聚力增加的结果。尽管粉体 2 由相对较大较重的颗粒组成，但它的堆积效率差，仅为 43%，这也表明阻止颗粒相互移动的并非内聚力，而是颗粒形状的不规则性。
粉体的可压性是指测量粉体在施加 15 kPa 应力后的体积变化程度，初始体积为 85 ml，所施加应力截面为 50 mm 直径的圆平面。
由于外加载荷迫使颗粒重新排列以填补颗粒间空隙，因此这三种样品都会产生少量压缩。与粉体 3 相比，粉体 1 中颗粒的堆积效率略低（包含更多空隙），这是因为内聚力小于外加载荷，因此粉体 1 的可压性高于粉体 3 。相比之下，虽然粉体 2 中颗粒间空隙比例最大，但由于施加的载荷不足以使颗粒挤入空隙，因此极不规则颗粒之间的互锁咬合导致粉体 2 的可压性较低。
· 剪切特性
剪切池测试使粉体层之间相互剪切（旋转），同时测量初始屈服时的扭矩与施加载荷的函数关系。下方左图显示，与粉体 1 和粉体 3 相比，要使粉体 2 的各层相互移动，需要更高的剪切应力。尽管粉体 2 的粒径大、松装密度低，但这种粉体显示出显著的摩擦和互锁特性，这可能是由于其颗粒形状的不规则程度较高。粉体 2 在混合等高应力和高剪切力过程中需要更多的能量和更强的作用力，并且在料斗卸料过程中最容易出现堵塞和相关问题。壁面摩擦测试（下方右图）测量粉体与加工设备所代表材料之间的摩擦作用。在该测试中，粉体在不断增加的法向应力作用下发生固结，并与标称粗糙度为 1.2 微米的不锈钢盘片进行剪切。
结果还显示，粉体 2 的颗粒形状高度不规则，使其与不锈钢的摩擦作用最大，这意味着样品 2 在这种材料上的滑动阻力最大，也可能使其更容易受到摩擦静电的影响。
· 动态特性
粉体动态流动特性反映了在一定体积的粉体中产生特定流动所需的功。在此测试中，标准的 FT4 桨叶向下旋转穿过粉层，同时测量在恒定速度下所需的阻力和扭矩。桨叶强制有约束流动所做的总功称为基本流动能 (BFE)。在无约束流动中，桨叶向上旋转通过同一粉层所需的功除以粉体总质量，称为比流动能 (SE)。向下穿过样品的过程中，桨叶会压缩粉体，而在向上运动的过程中，桨叶的作用是提升和分离颗粒，因此 BFE 受粉体压缩能力的影响，而 SE 更能代表分离颗粒的难易程度。
由于粉体2具有较高的摩擦和机械咬合特性，再次成为 BFE 和 SE 最高的样品，这表明该样品需要最多的能量和更强的作用力才能按体积量化和驱动粉体。与之相反，粉体1的 BFE 和 SE均高于粉体3，这表明样品1更难加工，这可能是因为该样品的粉层堆积了更多的颗粒，颗粒间的接触也更多，从而阻碍了桨叶的运动。
结论
对于激光粉体床熔融这一特定的增材制造技术而言，粉床密度是使用最佳激光功率设置时需要了解的属性，而且通常希望尽可能达到最大的床层密度，以降低打印过程中出现缺陷的风险。FT4 粉体流变仪对三种粉体的堆积特性进行了量化，发现水雾化粉体 2 的粉床最松散，由于其颗粒形状极不规则，也最难按照体积进行加工。此外，尽管粉体 1 和粉体 3 的颗粒形状相同，但粉体 1 的内聚性较高，因此粉床密度较低，按体积的加工难度也高于粉体 3。
Micromeritics FT4 粉体流变仪显示出三种不同粒度分布和形状的不锈钢粉体，相互之间的差异明显且可重复。在 FT4 粉体流变仪上进行灵敏而快速的测试，可以量化不同雾化方法对粉体流动特性的影响，并可用于预测各种条件下的工艺性能。
关于我们
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