用于增材制造的金属粉末表征

增材制造（AM），也常被称为 3D 打印，是一种从零开始构建三维结构或部件的工艺，通常以逐层方式进行。根据 ASTM 增材制造技术委员会 F42 的定义，增材制造工艺主要分为七大类。增长最快的 AM 工艺之一是 粉末床熔融，该工艺是在构建平台上铺设一层粉末，然后使用激光或电子束选择性地熔化或烧结粉末。熔化后，平台下降，然后重复该过程，逐层进行，直至构建完成。未熔化的粉末会从成形腔中移除，并通常根据其状况进行回收再利用。金属粉末是最常用的材料，尽管陶瓷和聚合物粉末也被广泛使用。

粉末床增材制造工艺的效率以及成品部件的质量，在很大程度上取决于粉末的流动行为和堆积密度。粒径 会直接影响这些特性，因此是该工艺所用粉末的关键规格。对于选择性激光熔化（SLM），最佳粒径为 15-45 μm；对于电子束熔化（EBM），最佳粒径为 45-106 μm。粒子形状及其分布同样会影响粉末的流动和堆积，因此也是粉末质量的另一个关键指标。

激光衍射是一种成熟的金属粉末粒径分布测定技术（ASTM B822），其原理是通过测量激光束穿过金属粉末分散体系时散射光的角度变化来实现。这是一种快速、高通量、高分辨率的技术，可量化金属粉末中的所有粒径组分，包括细粉含量，如下所示。

激光衍射假设所有颗粒都是球形，因此虽然它能提供高分辨率的粒径数据（基于等效球径），却无法提供任何关于形状的信息。与激光衍射互补的一种技术是自动成像，在该技术中会采集并分析单个颗粒图像，以确定其粒径、粒子形状及其他物理特性。通过每次测量对数万至数十万金属颗粒进行测量，可以构建具有统计代表性的分布。利用先进的图像分析算法，颗粒还可根据其表面粗糙度、不规则性以及是否存在卫星颗粒进行分类，如下图所示。

Malvern Panalytical 的 Mastersizer 3000（激光衍射）和 Morphologi 4（自动成像）是同类领先技术，正日益被该行业用于：

• 确保粉末供应一致，防止最终产品质量波动
• 为具有不同铺粉器或耙式设计的设备筛选合适的粉末
• 优化雾化条件，以获得所需的粉末特性
• 预测并优化粉末堆积密度和流动特性
• 跟踪加工和回收过程中粉末性能的变化