颗粒粒度在增材制造粉末中的重要性及粒径分布测量方法

一、颗粒粒度在增材制造粉末中的重要性

颗粒粒度及其分布是决定增材制造（AM）粉末工艺性能与最终零件质量的核心参数，具体影响体现在以下五个关键方面：

1.堆积密度：决定零件致密度与缺陷率

• 级配优化：大颗粒构成骨架，小颗粒填充间隙，形成高堆积密度（如粗粉+细粉的级配分布可提升密度30%以上）。高堆积密度直接降低零件孔隙率，减少裂纹、未熔合等缺陷。

• 工艺适配性：不同AM技术对堆积密度要求差异显著，例如选择性激光熔融（SLM）需15-45μm粉末以实现精细铺粉，而电子束熔融（EBM）则适用45-106μm粗粉。

2.表面积与氧化敏感性：影响熔池稳定性与力学性能

• 细粉氧化风险：小颗粒（<10μm）比表面积大，易形成氧化膜（如金属粉末表面Al₂O₃、TiO₂），激光熔化时氧化物进入熔池会改变马兰戈尼对流方向，导致孔隙率增加2-3倍。

• 韧性下降：氧化物夹杂会降低零件冲击韧性，例如316L不锈钢粉末中细粉占比超过15%时，断裂伸长率可下降17%。

3.流动性：决定铺粉均匀性与打印效率

• 粒度与形状协同作用：球形颗粒流动性优于不规则颗粒，但细粉（<20μm）因内聚力增加易团聚，导致粉末流速降低50%以上。例如，卫星颗粒（1-10μm）会引发机械联锁，使粉末床表面粗糙度增加20μm。

• 环境敏感性：细粉对水分吸附能力强，湿度超过40%时流动性显著下降，需严格控制存储环境。

4.熔融特性：调控能量吸收与熔池行为

• 粒径-能量耦合效应：小颗粒（<30μm）比表面积/体积比高，激光吸收率提升30%，但易因能量过载导致熔池飞溅；大颗粒（>60μm）则可能因熔化不完全形成未熔颗粒缺陷。

• 工艺参数匹配：例如SLM中，316L不锈钢粉末粒径每增加10μm，激光功率需提高5-8W以维持稳定熔池。

5.微观结构与力学性能调控

• 晶粒形态控制：最新研究发现，粉末粒径可反向调控微观结构：细粉（<20μm）打印后形成粗柱状晶，粗粉（50-100μm）则获得等轴细晶（<10μm），后者使316L不锈钢抗拉强度提升17%、伸长率提升62%。

• 各向异性优化：等轴晶结构通过粗粉实现，可降低零件力学性能各向异性，疲劳寿命提高2-3倍。

3D打印

二、粒径分布测量方法

AM粉末粒径分布测量需兼顾精度、效率与工艺适配性，主流方法包括以下三类：

1.激光衍射法（LD）：工业标准方法

原理：基于米氏散射理论，通过测量不同角度散射光强度分布反演粒径，动态范围0.01-3500μm。

优势：

• 快速（单次测量<3分钟）、样品用量少（仅需5-10mg），适合在线/离线批量检测；

• 重复性好（RSD<1%），广泛用于金属粉末（如Ti6Al4V、In718）的质量控制。

局限性：

• 分辨率较低，无法区分近邻粒径（如10μm与15μm颗粒）；

• 依赖折射率等参数输入，对高浓度或团聚样品误差较大。

2.单颗粒光学计数法（SPOS）：高精度分析技术

原理：单个颗粒通过激光检测区时，记录消光信号并直接计数，动态范围0.5-400μm（如Entegris AccuSizer系统）。

优势：

• 分辨率高（可达0.1μm），能精确识别少量超细颗粒（如<5μm的卫星颗粒）；

• 可同时输出数量分布与体积分布，适合评估细粉比例对流动性的影响。

应用场景：航空航天等高可靠性领域，如镍基高温合金粉末中<10μm颗粒的定量分析。

3.动态图像分析法（DIA）：形态与粒度联用技术

原理：通过高速相机捕获颗粒图像，结合图像识别算法分析粒径（0.5μm-1mm）与形状参数（球形度、圆度）。

独特价值：

• 可识别卫星颗粒、粘连体等形态缺陷，例如Morphologi 4系统可自动分类“球状”“细长状”颗粒；

• 为粉末制备工艺优化提供依据，如气体雾化中喷嘴设计对颗粒球形度的影响。

4.方法对比与选择策略

三、总结

颗粒粒度通过调控堆积密度、流动性、熔融特性及微观结构，直接影响AM零件的致密度、力学性能与工艺稳定性。粒径分布测量需根据精度需求与成本预算选择方法：激光衍射法为工业首选，SPOS适用于高精度场景，动态图像分析则在形态表征中不可替代。未来，在线粒度监测（如Insitec系统）与AI驱动的粒度-性能预测模型将进一步推动AM粉末的智能化管控。