金属3D打印技术近年来发展迅速。选区激光熔化技术(Selective Laser Melting, SLM)是金属3D打印领域的重要部分，其采用精细聚焦光斑快速熔化300-500目的预置粉末材料，几乎可以直接获得任意形状以及具有完全冶金结合的功能零件。致密度可达到近乎100%，尺寸精度达20-50微米，表面粗糙度达20-30微米，是一种极具发展前景的快速成型技术，而且其应用范围已拓展到航空航天、医疗、汽车、模具等领域。由于金属材料的熔点高、热传导性好，选区激光熔化技术要求能直接成形高致密性、冶金结合且有较高尺寸精度及较好表面粗糙度的金属零件，对激光、铺粉、扫描特性都有较特殊的要求。

　　图1. 选区激光熔融技术示意图

　　对于工业级金属3D打印领域，粉末耗材仍是制约该技术规模化应用的重要因素之一，这是由于用于增材制造的粉末具有不同于传统粉末所需要的粉末特性，不仅要求粉末纯度高、杂质含量低，还必须满足粉末粒径细小、球形度高、流动性好和松装密度高等要求。目前，国内尚未制订出金属3D打印用材料标准、工艺规范、零件性能标准等行业标准或国标，业内评价金属粉末时，通常将化学成分、粒度分布作为常用指标，球形度、流动性、松装密度可作为参考指标。本文将主要从化学元素分析、粒度分布及球形度这几个方面来阐述弗尔德科学仪器在3D打印金属粉末性能评价中的应用。

　　一、 化学元素分析

　　对于金属原材料及最终的粉末成品，为了监测样品的纯度等品质，都需要进行成分及含量检测。3D打印用金属粉末对纯净度要求很高，除测定主要元素及杂质元素外，氧、氮、氢含量也有要求。

　　金属3D打印过程中，金属重熔时，元素以液体形态存在，或者可能存在易挥发元素的挥发损失，且粉末存在卫星球、空心粉等形态问题，因此有可能在局部生成气孔缺陷，或者造成打印后的零部件的成分异于原始粉末或者母合金的成分，从而影响到工件的致密性及其力学性能。另外，由于目前3D打印金属粉末制备技术主要以雾化法为主(包括超音速真空气体雾化和旋转电极雾化等技术)，粉末存在大的比表面积，容易产生氧化。因此，对不同体系的金属粉末，氧含量均为一项重要指标，对于普通的金属粉末，如不锈钢，含氧量要求在800-900ppm以下，对于活泼金属，如钛合金，一般要求在1300-1500ppm，在航空航天等特殊应用领域，客户对此指标的要求更为严格。此外，部分客户也要求控制氮含量，一般要求在500ppm以下。

　　弗尔德集团旗下的Eltra(埃尔特)元素分析仪，源自德国，专注元素分析三十多年，主要产品有氧/氮/氢/碳/硫元素分析仪及热重分析仪等。氧氮氢系列分析仪通过在通有惰性气氛的脉冲炉中产生最高超过3000℃的高温来熔融样品使之释放出氧、氮、氢元素，并分别通过高灵敏度的红外检测池检测氧及热导池检测氮、氢含量，因此，在如此高的温度下，大部分的金属、难熔金属、合金、陶瓷等样品都可以检测。2015年，Eltra对氧氮氢分析仪进行了全新升级，推出Elementrac ONH-p系列，除了仪器外观更加简洁时尚，冷却及催化效率更高外，最关键的是新仪器的炉体升级为三级系统，除了载样槽，还增加了压力锁及隔热盾，压力锁使得整个仪器成为全封闭式气路系统，能完全隔绝外界空气对测量的干扰，隔热盾能有效降低脱气冲洗时的热量对样品的影响，这对于氢的精确测量非常重要。另外，由于氦气的价格高昂，为降低使用成本，Elementrac ONH-p系列分析仪还支持使用更廉价的氩气作为载气。增材制造业常用的一些金属材料，如钛合金、钴铬合金、镍合金、哈氏合金、铝合金以及钢类等，都非常适合用Elementrac ONH-p分析仪进行检测。测量时，样品无需进行前处理，粉末样品包裹在胶囊中称重后即可直接进样，汉化版的软件简单易懂，操作也非常简便，单个样品测量过程只需大约3 min，仪器还有错误报警功能，保障使用安全。

　　以下是钢中氧氮用氩气作载气时的测试结果：

　　表1. Eltra标样 91100-1001 #714A的测量结果

　　91100-1001 #714A的标准含量为O 6 ppm N 19 ppm，从上面结果可以看出，即使是对超低含量的样品，使用Elementrac ONH-p的多次测样结果偏差都在1 ppm以下，可见仪器的测量精确性和重复性都很优异。

　　Eltra的Elementrac ONH-p系列符合多个ASTM和ISO的标准：

　　氧、氮、氢测定的ASTM标准：

　　氧、氮、氢测定的ISO标准：

　　表2 Elementrac ONH-p符合的标准

　　二、 粒度分布

　　金属3D打印常用的粉末粒度范围是15-53μm(细粉)，53-105μm(粗粉)，部分场合下可放宽至105-150μm(粗粉)，目前市场上主流SLM 成形设备要求的铺粉层厚是20-50

　　μm。GBT 1480-2012《金属粉末 干筛分法测定粒度》适用于大于45微米的粉末颗粒，已不太能满足金属3D打印粉末粒度测试要求。激光粒度仪适用于0.1μm到2 mm的粒度分布分析，但激光粒度仪存在如折射率难以确定，进样量少，没有颗粒形态信息，将颗粒等效成球形导致不规则样品的测量准确度不高等一些瓶颈。

　　德国莱驰科技(Retsch Technology)是全球第一家采用ISO13322-2动态图像法原理设计的粒度及粒形分析仪，测量对象为0.6μm-8 mm或10μm -30 mm的可流动颗粒、粉体、胶体、悬浊液、磁性材料等。动态图像技术采用的是直接测量的原理，“所见即所得”，莱驰科技生产的Camsizer系列粒度粒形仪，具有专利的双镜头技术：运动中的颗粒通过带有脉冲LED光源的通道时，颗粒的投影被两个数字镜头(CCD)捕捉拍摄，其中一个数字镜头(Z-CCD，聚焦镜头)主要分析小颗粒，另外一个镜头(B-CCD，基准镜头)主要分析大颗粒，双镜头各有所长，这样就能在一次测量中，既保证了测量范围，又兼顾了测量精确度。双镜头技术的原理见下图：

　　图2. 双CCD镜头系统测量原理

　　Camsizer可以每秒获取300张图像，每张图像上捕捉到几百个典型颗粒，强大的软件系统会自动根据每个颗粒的图片计算尺寸和形态。Camsizer可以依据不同的粒度定义，如等效球径Xarea、投影宽度Xc min及投影长度XFe max等分别得到粒度分布曲线，如下图所示：

　　图3. Camsizer测得的粒度分布曲线

　　图中红色曲线是按照投影宽度统计的粒度分布曲线，绿色曲线是按照等效球径统计的粒度分布曲线，蓝色曲线是按照投影长度统计的粒度分布曲线。

　　相比传统的激光粒度仪，Camsizer取样量大，一次进样可达几十万个颗粒，因此结果更具有代表性，并且对超标颗粒的检测灵敏度最低可达到0.01%，测量结果还可以和筛分结果进行拟对，而测量速度比筛分法更快。

　　三、 球形度

　　SLM 成形专用金属粉末是通过气雾化法制备得到的，颗粒一般呈球状，但也会出现形状不规则的颗粒，颗粒球形度直接影响粉末的流动性和松装密度。莱驰科技的Camsizer粒度粒形仪，除了可以测定粒度大小及粒度分布外，还能同时获得球形度、对称性、宽长比、凹凸度等形态信息。目前球形度的常规测定方法是用电镜来观察，但电镜过于耗时，一次检测量也只有几百个颗粒，不具有代表性，而且电镜法没有量化检测标准，所以电镜法不能作为质量监测手段，而动态图像法很好的解决了这些问题。Camsizer基于粉末颗粒二维图像分析, 采用如下公式表征球形度S(SPHT)：

　　其中S 为颗粒球形度， A 为颗粒的投影阴影面积， P 为颗粒的投影周长。球形度数值越接近1，样品球形度越好。通常大于0.95可以认为是非常好的球体，0.9-0.95认为是比较好的球体，0.9以下认为是球形度一般。

　　此外，在喷雾造粒的过程中，有时会有小颗粒与大颗粒粘结在一起的情况，这种颗粒称为卫星颗粒。在图4的扫描电镜图像中，可以清楚看到这种粘结颗粒的存在：

　　图4. 金属粉末扫描电镜图像中观察到的卫星颗粒

　　卫星颗粒也是影响粉末流动性的主要参数之一。对于卫星颗粒，Camsizer可以用b/l(宽长比)来进行表征：

　　式中X_{c min}是颗粒的投影宽度，X_{Fe max}是颗粒的投影长度。下图是几种金属粉末宽长比及球形度的测试结果举例：

　　图5. 几种金属粉末的宽长比测试结果

　　由上图可知，宽长比b/l数值越接近1代表卫星颗粒含量越少。

　　Camsizer还可以绘制球形度(或宽长比)随粒度分布曲线，该曲线可以反映出样品在哪个粒度时球形度(或b/l)较好，哪个粒度时球形度(或b/l)较差，可以用筛分将样品进行筛选。

　　图6. 球形度随粒度分布曲线

　　四、 结论

　　随着增材制造的快速发展，相应的在原材料质量监控环节，其检测技术也需要加快发展，为整个制造过程把好关。其中，元素分析和粒度粒形检测是重要环节。检测元素浓度的方法有很多，为了使所有待检测的元素释放出来，大多数方法需要进行样品前处理，而采用燃烧或熔融法，样品则可以直接进样测量，不需要进行前处理，方法简单可靠。Eltra的Elementrac ONH-p系列氧氮氢分析仪，采用惰性熔融法，有先进的脉冲炉技术，配备高灵敏度和性能稳定的红外检测池及热导池，使得该仪器具有优异的检测精确度和重复性，此外，仪器使用简单方便，测量范围从几个ppm到百分含量，能满足3D打印金属粉末的含量范围。

　　检测3D打印用金属粉末粒度粒形时，采用以动态图像法为原理的Retsch Technology的Camsizer粒度粒形仪，可以实现一次进样，同时得到粒度及粒形信息。与激光法和静态图像法相比，动态图像法还具有进样量大，检测时间通常只需要1-3 min，分辨率高，重复性好等优点，所以能大大提高质量监控效率。所以在3D打印金属粉末评价领域，弗尔德科学仪器将成为您的得力助手!