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增材專欄 | 增材制造中材料成分不一致會導致什么問題？

馬爾文帕納科 2025-03-11 | 閱讀：1552

增材制造中如果金屬粉末成分不一致會造成哪些問題，為了杜絕這些問題我們要如何快速、準確地獲取金屬粉末的元素分析結果，以確保最終金屬粉末滿足增材制造的要求。本文將介紹元素分析在增材制造領域的重要性，并介紹XRF分析技術的原理及其在金屬粉末材料成分檢測中的優勢。

01丨化學性分析的重要性

良好的增材制造粉末，其中非常重要的一點是要考察粉末的化學成分的一致性-也就是粉末需要符合指定材料的合金成分，并且必須仔細選擇等級以控制存在的間隙元素，如氧或氮，這些元素可能會影響成品組件的性質。此外，增材制造粉末必須不受到外部顆粒的污染，如粉末生產廠、增材制造設施的其他物料批次或加工/回收設備中的碎屑，百萬分之幾的污染物水平就會對組件質量產生重大影響。

如果增材制造粉末的成分不一致會造成如下問題：

力學性能下降：成分不一致可能導致材料的強度、韌性、疲勞壽命等力學性能顯著降低。例如，合金元素的流失或偏析會改變材料的微觀結構，形成脆性相或裂紋源。
微觀結構缺陷：成分不一致可能引發微觀偏析、晶粒粗化或不均勻的相分布，影響材料的均勻性和穩定性。
裂紋和氣孔：成分差異可能導致凝固過程中溶質富集、熱應力增加，從而產生裂紋和氣孔。這些缺陷會成為裂紋擴展的起點，降低部件的承載能力和可靠性。
工藝適配性問題：不同成分的材料需要不同的工藝參數，成分不一致可能導致工藝參數難以適配，增加制造難度。
梯度材料性能不穩定：在制造梯度材料時，成分不一致會使實際成分梯度偏離設計值，影響功能梯度材料的性能。

02丨XRF分析的優勢

X 射線熒光法 (XRF) 是分析金屬粉末中的化學成分和雜質的簡單快捷方法。XRF 可以測定粉末樣品中的元素成分和雜質，如疏松粉末、壓片，或熔片或熔鑄片等樣品。雖然電感耦合等離子體 (ICP) 分析廣泛用于分析金屬和金屬粉末，但是ICP 需要進行樣品消解、稀釋和日常校準，這是一種費力且昂貴的金屬和金屬粉末分析方法。特別是對于主要元素為幾個百分點含量的化學成分分析，XRF 可以測量此類樣品，無需進行稀釋。

XRF 的其他優點包括占地面積小、操作簡單、無需使用高純度氣體，而且對專業知識的要求很低。XRF 中的準確定量分析要求使用標樣進行校準。在需要重新校準之前，XRF 的校準有效期可以達到一年以上。XRF 在許多情況下都是 ICP 的合適替代品。在對于特定痕量元素時，XRF 是一種對于ICP的補充的方法，減少了所需的 ICP 分析量并簡化工作流程。

03丨X射線熒光光譜法XRF

XRF 分析的基本原理很簡單，如果我們使用 X 射線光照射樣品，就會使樣品內產生二次 X 射線（熒光）。這些二次 X 射線具有樣品中存在的代表元素的特征能量（或特征波長）。換句話說，通過測量從樣品中發出的 X 射線的能量 Ei（或波長 li），我們可以判斷樣品中存在哪些元素。元素周期表中每種元素的特征能量都會充分記錄下來。例如，如果樣品中發出 7.7 keV X 射線光子，則表示存在鈷，如果發出 8.3 keV 光子，則表示存在鎳，依此類推。

圖1 . 圖中顯示了 X 射線熒光法的基本原理，并嵌入到典型 XRF 光譜中

04丨EDXRF實測樣品結果

下表顯示了使用臺式 EDXRF 系統測定三個 Inconel 718 樣品的平均成分與 ASTM F3055 中所述的合金標稱成分的比較^【1】。

圖2 使用EDXRF測定的Inconel718粉末的平均成分

結論

XRF用于金屬粉末的元素分析，具有無需復雜的樣品前處理，操作簡單，無二次污染，低成本等優勢，還可以快速獲得樣品中主量元素和痕量元素的準確含量。為增材制造的粉末成分一致性控制，提供了更為便捷，準確的檢測方法。

參考文獻：

[1] ASTM F3055-14a, Standard Specification for Additive Manufacturing Nickel Alloy (UNS N07718) with Powder Bed Fusion, ASTM International, West Conshohocken, PA, 2014

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