金屬3D打印技術(shù)對(duì)原料粉體的要求有哪些
金属粉体材料作为金属3D打印技术的核心原材料，其粉体的基础特性对最终打印成品的品质起着决定性作用。金属3D打印对粉体的要求颇为严苛，主要涵盖化学成分、颗粒形态、粒度大小及分布、流动性以及循环再利用性等多个维度，具体要求如下文详细阐述。
1、化学成分考量
原料的化学构成主要包括主金属元素和杂质成分。主金属元素方面，常用的有铁（Fe）、钛（Ti）、镍（Ni）、铝（Al）、铜（Cu）、钴（Co）、铬（Cr）以及贵金属如银（Ag）、金（Au）等。杂质成分则可能包括还原铁中的硅（Si）、锰（Mn）、碳（C）、硫（S）、磷（P）、氧（O）等，以及原料和生产过程中混入的其他杂质，还有粉体表面吸附的水分和其他气体等。
在打印成型过程中，杂质可能与基体发生化学反应，改变基体性质，对制件品质产生不良影响。夹杂物的存在也会导致粉体熔化不均，容易引发制件内部缺陷。当粉体含氧量较高时，金属粉体不仅容易氧化形成氧化膜，还可能导致球化现象，影响制件的致密度和品质。
因此，为确保制品品质，必须严格控制原料粉体的杂质和夹杂物含量，3D打印用金属粉体应选用高纯度的金属粉体原料。
2、颗粒形状、粉体粒度及粒度分布要求
a、形状要求
常见的颗粒形状包括球形、近球形、片状、针状以及其他不规则形状等。不规则颗粒具有更大的表面积，有利于增加烧结驱动力。然而，球形度高的粉体颗粒流动性好，送粉和铺粉均匀，有助于提升制件的致密度和均匀度。因此，3D打印用粉体颗粒一般要求为球形或近球形。
b、粉体粒度及粒度分布
研究表明，粉体通过直接吸收激光或电子束扫描时的能量而熔化烧结。粒子越小，表面积越大，直接吸收的能量越多，越容易升温，越有利于烧结。此外，粉体粒度小，粒子间间隙小，松装密度高，成形后零件致密度高，有利于提高产品的强度和表面质量。但粉体粒度过小时，易发生粘附团聚，导致粉体流动性下降，影响粉料运输和铺粉均匀性。
因此，应将细粉和粗粉按一定比例混合，选择合适的粒度与粒度分布，以达到预期的成形效果。
3、粉体的工艺性能要求
粉体的工艺性能主要包括松装密度、振实密度、流动性和循环利用性能。
a、松装密度与振实密度
松装密度是粉末自然堆积时的密度，振实密度是经过振动后的密度。球形度好、粒度分布宽的粉末松装密度高，孔隙率低，成形后的零件致密度高，成形质量好。
b、流动性
粉体的流动性直接影响铺粉的均匀性或送粉的稳定性。粉末流动性太差，易造成粉层厚度不均，扫描区域内的金属熔化量不均，导致制件内部结构不均，影响成形质量。而高流动性的粉末易于流化，沉积均匀，粉末利用率高，有利于提高3D打印成形件的尺寸精度和表面均匀致密化。
c、循环性能
3D打印过程结束后，留在粉床中未熔化的粉末可通过筛分回收并继续使用。但长时间的高温环境下，粉床中的粉末性能会有所变化。因此，需要根据具体工艺选用合适的回收率。
三、3D打印用金属粉末的种类及应用领域
单一组分的金属粉末在成形过程中易出现明显的球化和集聚现象，导致烧结变形和密度疏松。因此，多组元金属粉末或预合金粉末应运而生。按基体主要元素可分为铁基材料、镍基合金、钛与钛合金、钴铬合金、铝合金、铜合金以及贵金属等。
1、铁基材料
铁基材料是3D打印中应用最广泛的金属材料，具有优异的力学性能、耐高温和耐腐蚀性，性价比高，适合打印尺寸较大的产品，多用于各种工程机械、零件及模具等。市面上典型的材料有304和316奥氏体不锈钢粉。
2、镍基材料
镍基材料具有良好的高温性能、抗氧化和抗腐蚀性，在航空航天、船舶以及石油化工等领域应用广泛。
3、钛及钛合金
钛及钛合金的突出特点是比强度高、抗腐蚀、生物相容性好，因此在航天航空、生物骨骼、牙齿种植等方面有着广泛应用。
4、钴铬合金
钴铬合金主要分为CoCrW和CoCrMo合金两大类，具有良好的高温性能和抗腐蚀性能，常用于牙科修复体如牙冠固定桥、可摘除义齿等的个性化定制。
5、铝合金
铝合金是一种轻量化金属，熔点低、密度低，但机械强度稍弱，化学活性强。目前已有研究通过3D打印制备出高强度的铝合金材料，对于重视轻量化的航空器和汽车零部件来说具有重要意义。
6、铜及铜合金
铜及铜合金的最大优势在于其优异的导电性和导热性，可用于航空航天、电子、机械零部件加工等领域。
7、贵金属
黄金和白银等贵金属具有良好的塑性和延展性，光泽度美观，可以通过3D打印加工个性化饰品，实现高精度高难度艺术品的设计和制作。
