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不銹鋼具有耐腐蝕、抗拉強(qiáng)度高和維護(hù)成本低等多種特性，因此應(yīng)用場(chǎng)景廣泛。許多不銹鋼零件制造技術(shù)中會(huì)涉及到粉體的使用，例如熱等靜壓、注塑成型或增材制造。其中一種成熟的粉體生產(chǎn)方法是霧化法，即將液體（即熔融金屬）分解成細(xì)小的噴霧，然后凍結(jié)成粉體。根據(jù)霧化步驟所使用的介質(zhì)，常見的技術(shù)可分為水霧化、氣體霧化或等離子霧化。

 

這三種霧化技術(shù)需要在成本和質(zhì)量之間進(jìn)行平衡。水霧化技術(shù)成本較低，但生產(chǎn)出的顆粒粗糙且不規(guī)則，可能含有雜質(zhì)氧化物或氫氧化物。等離子霧化可生產(chǎn)出幾乎完美的球形顆粒，但成本較高。氣體霧化是一種折中選擇，它產(chǎn)生的顆粒球形度幾乎與等離子體霧化相似，但通常含有衛(wèi)星顆粒，有一定的污染程度。每種方法生產(chǎn)出的粉體在形狀（其次是成分）上的不同會(huì)導(dǎo)致它們的流動(dòng)特性具有明顯差異，從而影響應(yīng)用場(chǎng)景的適用性。

 

我們研究了三種 CarTech? 316L 不銹鋼粉末（Carpenter Technology），分別用于激光粉末床熔融和直接能量沉積這兩種增材制造方法。名為粉體 1 和粉體 3 的樣品均通過氣體霧化法生產(chǎn)，之后分別分離成較小和較大粒徑等級(jí)的顆粒，而粉體 2 則是通過水霧化法生產(chǎn)。

Micromeritics FT4 粉體流變儀作為一款通用型粉體流動(dòng)性測(cè)試儀，能夠?qū)Ψ垠w流動(dòng)特性進(jìn)行自動(dòng)、可靠和全面的測(cè)量。這些信息也能夠與工藝經(jīng)驗(yàn)相關(guān)聯(lián)，以提高加工效率并幫助質(zhì)量控制。FT4 具有針對(duì)動(dòng)態(tài)流動(dòng)特性的模塊，它還配有一個(gè)剪切池，能夠測(cè)量密度、可壓性和透氣性等整體特性。此文使用 FT4 粉體流變儀對(duì)三種不銹鋼粉體進(jìn)行了分析，結(jié)果表明它們之間存在明顯、可重復(fù)的差異，這些差異可與加工過程中的性能相關(guān)聯(lián)。

FT4 粉體流變儀測(cè)試結(jié)果

在 FT4 粉體流變儀中進(jìn)行的所有測(cè)試都先經(jīng)過預(yù)處理程序，以確保在測(cè)量流動(dòng)特性之前樣品堆積狀態(tài)的一致性。預(yù)處理程序消除了樣品的應(yīng)力歷史狀態(tài)，減少了先前振動(dòng)、加工和處理?xiàng)l件的影響。

 

· 整體特性

 

松裝密度是單位體積內(nèi)粉體的質(zhì)量，由構(gòu)成的固體材料的顆粒、夾帶的空氣和微量水分組成。由于這三種粉體使用相同的不銹鋼原料生產(chǎn)，因此假定顆粒的真密度相同，均為7.94 g/cm3。預(yù)處理松裝密度 (CBD) 說明了顆粒在預(yù)處理后的狀態(tài)下是如何在重力作用下相互移動(dòng)和堆積。

粉體 3 的堆積效率最高，固體顆粒占粉體體積的 60%。粉體 1 的顆粒具有相似的球形，但其堆積效率略低，僅為 57%，這可能是內(nèi)聚力增加的結(jié)果。盡管粉體 2 由相對(duì)較大較重的顆粒組成，但它的堆積效率最差，僅為 43%，這也表明阻止顆粒相互移動(dòng)的并非內(nèi)聚力，而是顆粒形狀的不規(guī)則性。

 

粉體的可壓性是指測(cè)量粉體在施加 15 kPa  應(yīng)力后的體積變化程度，初始體積為 85 ml，所施加應(yīng)力截面為 50 mm 直徑的圓平面。

 

由于外加載荷迫使顆粒重新排列以填補(bǔ)顆粒間空隙，因此這三種樣品都會(huì)產(chǎn)生少量壓縮。與粉體 3 相比，粉體 1 中顆粒的堆積效率略低（包含更多空隙），這是因?yàn)閮?nèi)聚力小于外加載荷，因此粉體 1 的可壓性高于粉體 3 。相比之下，雖然粉體 2 中顆粒間空隙比例最大，但由于施加的載荷不足以使顆粒擠入空隙，因此極不規(guī)則顆粒之間的互鎖咬合導(dǎo)致粉體 2 的可壓性較低。

 

· 剪切特性

剪切池測(cè)試使粉體層之間相互剪切（旋轉(zhuǎn)），同時(shí)測(cè)量初始屈服時(shí)的扭矩與施加載荷的函數(shù)關(guān)系。下方左圖顯示，與粉體 1 和粉體 3 相比，要使粉體 2 的各層相互移動(dòng)，需要更高的剪切應(yīng)力。盡管粉體 2 的粒徑大、松裝密度低，但這種粉體顯示出最顯著的摩擦和互鎖特性，這可能是由于其顆粒形狀的不規(guī)則程度較高。粉體 2 在混合等高應(yīng)力和高剪切力過程中需要更多的能量和更強(qiáng)的作用力，并且在料斗卸料過程中最容易出現(xiàn)堵塞和相關(guān)問題。壁面摩擦測(cè)試（下方右圖）測(cè)量粉體與加工設(shè)備所代表材料之間的摩擦作用。在該測(cè)試中，粉體在不斷增加的法向應(yīng)力作用下發(fā)生固結(jié)，并與標(biāo)稱粗糙度為 1.2 微米的不銹鋼盤片進(jìn)行剪切。

 

結(jié)果還顯示，粉體 2 的顆粒形狀高度不規(guī)則，使其與不銹鋼的摩擦作用最大，這意味著樣品 2 在這種材料上的滑動(dòng)阻力最大，也可能使其更容易受到摩擦靜電的影響。

· 動(dòng)態(tài)特性

粉體動(dòng)態(tài)流動(dòng)特性反映了在一定體積的粉體中產(chǎn)生特定流動(dòng)所需的功。在此測(cè)試中，標(biāo)準(zhǔn)的 FT4 槳葉向下旋轉(zhuǎn)穿過粉層，同時(shí)測(cè)量在恒定速度下所需的阻力和扭矩。槳葉強(qiáng)制有約束流動(dòng)所做的總功稱為基本流動(dòng)能 (BFE)。在無約束流動(dòng)中，槳葉向上旋轉(zhuǎn)通過同一粉層所需的功除以粉體總質(zhì)量，稱為比流動(dòng)能 (SE)。向下穿過樣品的過程中，槳葉會(huì)壓縮粉體，而在向上運(yùn)動(dòng)的過程中，槳葉的作用是提升和分離顆粒，因此 BFE 受粉體壓縮能力的影響，而 SE 更能代表分離顆粒的難易程度。

由于粉體2具有較高的摩擦和機(jī)械咬合特性，再次成為 BFE 和 SE 最高的樣品，這表明該樣品需要最多的能量和更強(qiáng)的作用力才能按體積量化和驅(qū)動(dòng)粉體。與之相反，粉體1的 BFE 和 SE均高于粉體3，這表明樣品1更難加工，這可能是因?yàn)樵摌悠返姆蹖佣逊e了更多的顆粒，顆粒間的接觸也更多，從而阻礙了槳葉的運(yùn)動(dòng)。

結(jié)論

對(duì)于激光粉體床熔融這一特定的增材制造技術(shù)而言，粉床密度是使用最佳激光功率設(shè)置時(shí)需要了解的屬性，而且通常希望盡可能達(dá)到最大的床層密度，以降低打印過程中出現(xiàn)缺陷的風(fēng)險(xiǎn)。FT4 粉體流變儀對(duì)三種粉體的堆積特性進(jìn)行了量化，發(fā)現(xiàn)水霧化粉體 2 的粉床最松散，由于其顆粒形狀極不規(guī)則，也最難按照體積進(jìn)行加工。此外，盡管粉體 1 和粉體 3 的顆粒形狀相同，但粉體 1 的內(nèi)聚性較高，因此粉床密度較低，按體積的加工難度也高于粉體 3。

 

Micromeritics FT4 粉體流變儀顯示出三種不同粒度分布和形狀的不銹鋼粉體，相互之間的差異明顯且可重復(fù)。在 FT4 粉體流變儀上進(jìn)行靈敏而快速的測(cè)試，可以量化不同霧化方法對(duì)粉體流動(dòng)特性的影響，并可用于預(yù)測(cè)各種條件下的工藝性能。

關(guān)于我們

Micromeritics 是提供表征顆粒、粉體和多孔材料的物理性能、化學(xué)活性和流動(dòng)性的全球高性能設(shè)備生產(chǎn)商。我們能夠提供一系列行業(yè)前沿的技術(shù)，包括比重密度法、吸附、動(dòng)態(tài)化學(xué)吸附、壓汞技術(shù)、粉末流變技術(shù)、催化劑活性檢測(cè)和粒徑測(cè)定。

公司在美國、英國和西班牙均設(shè)立了研發(fā)和生產(chǎn)基地，并在美洲、歐洲和亞洲設(shè)有直銷和服務(wù)業(yè)務(wù)。Micromeritics 的產(chǎn)品是全球具有創(chuàng)新力的知名企業(yè)、政府和學(xué)術(shù)機(jī)構(gòu)旗下 10,000 多個(gè)實(shí)驗(yàn)室的優(yōu)選儀器。我們擁有世界級(jí)的科學(xué)家隊(duì)伍和響應(yīng)迅速的支持團(tuán)隊(duì)，他們能夠?qū)?Micromeritics 技術(shù)應(yīng)用于各種要求嚴(yán)苛的應(yīng)用中，助力客戶取得成功。