粉末冶金工业杂志投稿格式参考范文：金属粉末特征对激光粉末床熔融成形质量的影响

　　引言

　　增材制造(也称为 3D 打印)，是一种通过三维数字模型逐层成形部件的一种短流程、近终形的新型材料成形技术，与传统的车、铣、刨、磨等 “减材制造” 工艺，以及铸、锻、焊等 “等材制造” 工艺相比，增材制造技术的主要优势在于：(1)以激光、电子束或等离子弧作为热源，不受材料熔点限制，难熔材料也可熔化成形;(2)通过三维数据模型直接成形金属零部件，特别适合复杂零部件的一体化成形;(3)不需要模具，后续加工少，属于一种近净成形方式;(4)设计更自由，生产研发周期更短。基于以上的优势，该技术成为了 “引领第三次工业技术革命的核心技术之一”，是高端数字化智能制造的重要发展方向。

　　对激光的持续研究和开发促进了新的增材制造技术分支产生，激光粉末床熔融技术就是其中之一。其工艺基本原理是通过在成形平台上均匀铺展形成一个粉末床，通过计算机控制的激光能量源向粉末床的表面提供能量，将粉末逐层熔化再凝固形成所需的形状。由于铺粉激光增材制造技术成形的部件具有晶粒细小、成分均匀、成形精度高、表面粗糙度低以及综合力学性能优异等优势，该工艺是目前金属增材制造领域中应用最广泛的一种部件成形技术，特别适合制备具有精细复杂结构的金属零部件，在航空航天、汽车、医疗、模具等领域具有广阔的应用前景。特别是在航空航天领域，激光粉末床熔融技术非常契合航天装备日益整体化、复杂化、轻量化、结构功能一体化的制造需求，为传统航天制造业的转型升级提供了巨大契机。因此，激光粉末床熔融已经成为提高航天器设计和制造能力的一项关键技术，其应用于新型航空航天材料主要有以下优势：(1)有效缩短材料的研发周期;(2)极大提高材料的利用率，降低制造成本;(3)显著优化零部件的结构，减轻质量以及增加使用寿命;(4)快速修复零件，降低修复成形成本。

　　然而，冶金缺陷是当前激光粉末床熔融工艺成形部件面临的普遍问题，其中包括未熔合、孔隙和裂纹，缺陷的存在降低了成形部件的力学性能尤其是持久疲劳寿命。随着航空航天对材料及部件的性能要求提升，对低缺陷、高性能的高温合金需求迫切。而对于通过激光粉末床熔融工艺成形的高合金化、高性能合金来说，本身工艺窗口窄，在快凝快冷以及大的温度梯度成形条件下，形成冶金缺陷及裂纹的问题更为突出。由于激光粉末床熔融工艺高度依赖激光和粉末颗粒之间的相互作用，因此，粉末特征的变化是直接影响成形质量的关键因素之一。

　　从广义上来说，金属粉末特征既包括粉末的颗粒特征(粒度、颗粒形状、表面状态等)，又包括粉末的流动堆积特征(松装密度、振实密度、霍尔流速等)。其中粉末的流动堆积特征受粉末颗粒特征影响，并进一步影响了増材制造过程中的铺粉行为和成形质量。因此，本文从粉末颗粒特征的角度出发，在总结现有研究报道的基础上，结合作者所做的研究工作，详细介绍粉末的粒度、形貌、表面粗糙度以及表面能这四个最关键的粉末特征对铺粉激光增材制造冶金质量的影响，并就调整粉末特征的方向进行了总结和展望。

　　1 粉末粒度对冶金质量的影响

　　金属粉末颗粒可近似看作理想刚性球体，当单一粒度的粉末颗粒随机松散堆垛时，其堆积密度通常小于 60%，但当其按照面心立方或密排六方结构进行逐层紧密堆垛时，则堆积密度最高可以达到 74%。

　　当体系中存在两种粒度的粉末时，小粉末可以填充到大粉末的堆积空隙中，这样就可以突破单一粒度粉末的最大堆积密度，例如当两种粒度粉末的尺寸比为 2.41:1，数量比为 1:1 时，体系的最大堆积密度可以达到 92%。当体系中的粉末粒度增加到三种时，更小的粉末进一步填充到大粉末和中等粉末的空隙中，形成更加紧密的堆积，则堆积密度可以进一步提高，例如当三种粒度粉末的尺寸比为 9.23:3.83:1，数量比为 1:1:4 时，体系的最大堆积密度可以达到 95.7%。因此从理论上来说，随着粉末粒度分布范围的增大和尺寸比与数量比的协调，粉末的堆积密度将持续增大并无限接近于全致密。

　　但在实际激光粉末床熔融过程中，粉末的堆积密度一般只能达到 50%~60%。这主要是由于两方面原因：一是实际使用的粉末颗粒的粒度是连续变化的，铺粉时无法挑选出特定尺寸比与数量比的粉末互相填充;二是实际使用的粉末粒度不能大于每层的铺粉层厚(一般在 0.02~0.1 mm 范围内)，同时粉末粒度又不能过小，否则会增大粉末之间的团聚，严重影响粉末的流动性和堆积密度。虽然粉末颗粒紧密堆积的理论模型与实际铺粉过程差别较大，但理论模型给出了如何通过调整粉末粒度提升增材制造冶金质量的方向，即：在通用粒度的范围内，尽量采用更宽的粒度分布，增加较小粒度粉末对较大粒度粉末堆积空隙的填充，从而提高粉末床的致密度。例如，在打印 316L 不锈钢过程中，Liu 等发现，当使用粒度较宽的粉末(0~45 μm)时，相比于使用粒度较窄的粉末(15~45 μm)，获得了更高的粉末床密度，提高了零件的致密度及表面质量。Spierings 等同样证实，相比于仅使用 20~41 μm 的粉末，当使用含有一定比例的 20 μm 以下细颗粒的粉末时，粉末床的填充效果更好，成形零件的表面粗糙度更低。

　　当粗粉的比例过大时，粉末之间的空隙较大，由于缺少细粉的填充，粉末堆积密度较低。当细粉的比例过大时，由于细粉的比表面积较大，粉末之间的粘附力突出，容易形成团聚，且多余的细粉会对粗粉产生楔形作用而推开粗粉末，因此同样会造成粉末堆积密度下降。只有当粗细粉末颗粒的混合比例恰好达到最优值时，粉末床才具有最大的粉末堆积密度。

　　Farzadfar 等通过在 IN718 粗粉(D₁₀：26.5 um，D₅₀：35.5 um，D₉₀：50.5 μm)中加入不同比例的细粉(D₁₀：6.2 um，D₅₀：10.5 pm，D∞16.9 μm)，来探究粗细粉末颗粒混合比的最优值。实测的粗细粉末颗粒混合比对松装密度、振实密度的影响显示，随着在粗粉中添加更多的细粉，松装密度、振实密度先升高后降低，总体趋势与理论示意图相似。实测出的最优粗细粉末颗粒混合比为 70% 粗粉 + 30% 细粉，此时可达到 68% 的振实密度与 62% 的松装密度。相比于使用粗粉，使用粗细混合粉打印出的 IN718 试样，在各打印效率下，其缺陷的尺寸均更小，具有更好的冶金质量。

　　当粗细粉末颗粒的尺寸比发生变化时，粗细粉末颗粒的最优混合比与粉末的最大堆积密度都会相应地发生变化。从理论上来说，随着粗细粉末颗粒的尺寸比增大，粗细粉末颗粒的最优混合比会在 75% 粗粉 + 25% 细粉附近变化，而粉末的最大堆积密度会不断提高，最终接近于 88%。但值得注意的是，根据 Coe 等对 316L 不锈钢成形的研究，当采用较大功率的激光参数(例如大于 203 W)进行打印时，过细的细粉会存在被汽化的可能，从而造成成形致密度下降。另外，当粉末过细或细粉占比过高时，还会对粉末的流动性产生不利影响，从而影响冶金质量。

　　粉末的粒度和粉末的生产工艺密切相关。气雾化(Gas atomization, GA)工艺通过高压氩气破碎下落的金属熔液，将其分散成大量的细小液滴，液滴进入雾化室并冷凝形成粉末，制得的粉末粒度范围较宽，可获得 30 μm 以下超细粒径的粉末，但是从整体来看，70~100 μm 粗粉的占比还是要高于 70 μm 以下细粉的占比。

　　等离子旋转电极法(Plasma rotating electrode process, PREP)工艺通过动力机构带动合金棒料高速旋转，在等离子枪产生的高温等离子弧作用下，高速旋转的棒料端面发生微区熔化并形成液膜，在离心力和表面张力的作用下液膜转化为液滴飞出，在雾化介质中冷凝形成粉末，制得的粉末粒度范围较窄，并且粉末粒度整体偏粗，小于 30 μm 的细粉占比很少。等离子雾化(Plasma atomization, PA)工艺通过等离子体高温蒸发金属线材，使其以蒸汽形式存在，然后快速冷却形成粉末，制得的粉末表现出与 GA 工艺类似的粉末粒度分布特征，但 PA 粉末中 50~70 μm 之间的细粉占比要高于 70~100 μm 的粗粉占比。

　　2 粉末形貌对冶金质量的影响

　　粉末的形态越接近于球形，粉末在铺粉过程中的动态流动性和铺展性越优，从而越有利于提升粉末的堆积密度，而粉末的生产工艺直接影响着粉末的形貌。

　　Ruan 等对 GA 工艺和 PREP 工艺生产的 IN718 粉末的形貌以及成形质量进行了比较研究。两种工艺生产的粉末粒度相似，但与 GA 粉末相比，PREP 粉末具有球形度更好的形态、更光滑的表面形貌以及更少的孔隙。实验结果表明，PREP 粉末相比于 GA 粉末具有更高的松装密度、更优的流动性以及更大的可加工工艺窗口范围，成形质量更加稳定。

　　Brika 等对 PA 工艺和 GA 工艺生产的 Ti-6Al4V 粉末形貌及成形质量进行了比较研究。二者粉末粒度相似(GA 粉：35.8 μm，PA 粉：36.7 μm)，但 PA 粉末相比于 GA 粉末具有更高的球形度，表现出更优的流动性。实验结果表明，无论是在 30 μm 还是 60 μm 铺粉层厚条件下，球形度、流动性更优的 PA 粉末的铺粉密度和成形致密度均显著高于 GA 粉末。Riener 等同样证实了相比于 GA 工艺，PA 工艺生产的 Al-Si-10Mg 粉末的球形度更高、表面更加光滑，从而具有更高的松装密度、振实密度、流动性、铺粉密度以及成形致密度。

　　作者团队也对比了由 PREP 工艺制备的粉末与由电极感应气雾化(Electrode induction melting inert gas atomization, EIGA)工艺和真空感应气雾化(Vacuum induction melting inert gas atomization, VIGA)工艺制备的 GH3230 粉末的形貌及成形质量。PREP 粉末的表面更为光滑，无卫星粉，具有较高的平均球形度，贡献了粉末优异的流动铺展性，其中粉末的动态流动角和内聚指数显著低于两种 GA 粉末。作为结果，PREP 粉末获得了最高的松装密度和粉末床铺粉密度，PREP 粉末成形试样的致密度最高。而两种 GA 粉末中由于存在较多的卫星粉和异形颗粒，降低了粉末的流动铺展性，进而降低了粉末的松装密度和粉末床铺粉密度，这导致粉末成形试样中的缺陷数量增多，成形致密度降低。

　　PREP 粉末成形试样表现出比两种 GA 粉末成形试样更高的相对致密度和更低的缺陷的占比。这是由于 PREP 粉末成形试样具有较高的粉末床密度，激光束的能量可以被更有效地吸收，从而减少熔化不足，另外，更少的粉末间空隙有利于熔融金属液的流动填充，也有助于减少成形缺陷。

　　仅从粉末球形度角度来考虑，PREP 和 PA 粉末的球形度更高，更有利于提高冶金质量，而 GA 粉末较差。但如要在工业上推广金属增材制造部件，成本是必须权衡的因素。GA 工艺具有相对更低的粉末制备成本，而且在优化打印工艺参数之后，GA 粉末打印出零件的机械性能与 PREP 和 PA 粉末相当。因此，在对于成形质量波动要求不太严格的领域，选择 GA 粉末有助于节省成本。而 PREP 和 PA 粉末在航空、航天和其他对于成形质量波动要求非常严格的领域可能是更好的选择。

　　3 粉末表面状态对冶金质量的影响

　　3.1 粉末表面粗糙度对冶金质量的影响

　　金属粉末的制备往往是通过熔化、分散、快速凝固的方式形成粉末，粉末颗粒表面一般为原始枝晶凝固组织，表面粗糙度较大，而且颗粒中存在卫星粉和异形粉。因此，降低粉末的表面粗糙度有利于提升粉末的流动铺展性。

　　为了获得不同表面粗糙度的粉末，作者团队通过在原始雾化粉末的基础上对粉末进行球磨处理来改变粉末颗粒的表面粗糙度，进而研究其对粉末铺粉质量及成形缺陷的影响。采用同一批次的 GH3230 合金棒作为母合金，通过 VIGA 工艺和筛分获得 15~53 μm 原始合金粉末，采用球磨法对原始粉末进行处理。采用行星式球磨机，并选用不锈钢球作为球磨介质，球磨过程中，磨球与粉末的重量比为 5:1，球磨转速 500 r/min、球磨时间 2 h。

　　原始粉末保留了雾化凝固颗粒的原始表面形貌，明显地观察到凝固的枝晶和细胞晶粒微观结构。相比之下，球磨后粉末颗粒表面原有的树枝状和胞状晶粒微观结构被球磨后的机械切削和剪切摩擦痕迹所取代，同时，颗粒表面出现台阶、弯曲和尖角，粉末颗粒的表面粗糙度显著提高。实验结果表明，随着粉末表面粗糙度增大，粉末的流动铺展性降低，粉末床密度降低，从而导致成形试样中的缺陷数量增多，成形致密度下降。

　　两种粉末成形试样中均存在裂纹和孔隙两种缺陷形态，但与低表面粗糙度粉末成形试样相比，高表面粗糙度粉末成形试样中的裂纹和孔隙缺陷数量更多，裂纹的宽度和长度增加，圆形孔隙数量也有所增多，成形致密度下降。不同工艺参数下成形试样的金相结果显示，与未经球磨的原始 GH3230 粉末成形缺陷对比，经过球磨处理后，试样中出现了裂纹和孔隙缺陷占比的增加，其中裂纹的宽度和长度也增加，圆形孔隙数量也增多，成形试样致密度从 99.43% 下降至 98.73%。这表明，通过粉末球磨处理，增大了颗粒表面粗糙度，降低了粉末的流动性和铺展性，进一步降低了粉末在粉末床上的铺粉密度，最终导致相同成形工艺参数下的成形孔隙和裂纹缺陷增多，成形致密度下降。

　　粉末表面粗糙度的增大本质上是影响了粉末间的内聚力。一方面，颗粒表面粗糙度增大，颗粒之间的点接触将转变为面接触，颗粒间接触面积的增大，会导致颗粒更难以滑动和滚动，从而导致接触力(摩擦力)增大。另一方面，球磨后颗粒表面的台阶、弯曲和尖角数量增加，这些突起点处的表面能大于平面和光滑曲面处的表面能，从而导致颗粒的表面能增加，颗粒之间的非接触力(范德瓦尔力)增加。接触力和非接触力的增大提高了粉末的内聚力，使得粉末的流动铺展性降低，从而导致零件的粉末铺粉效率和成形效率降低。

　　3.2 粉末表面能对冶金质量的影响

　　对于增材制造用金属粉末，40~100 μm 或以上的粗颗粒粉末通常具有良好的流动性，但是随着粉末颗粒尺寸的减小，颗粒的比表面积增大，表面能升高，导致粉末颗粒间的内聚力增大，粉末将趋向于表现出粘性特征，降低了粉末的流动和铺展行为。激光粉末床熔融工艺用金属粉末的粒度通常为 15~53 μm 或 20~63 μm，因此，对该粒度范围的粉末表面能的研究是改变粉末流动行为，提升粉末铺展性的关键。

　　首先，可以利用减小粉末表面粗糙度的方式降低表面能。其主要机制在于表面粗糙度减小时，原子无序性减弱、表面活性减弱和比表面积减小，从而导致表面能趋于降低。具体来说，一方面，更小的表面粗糙度意味着颗粒表面存在更小比例的欠配位原子，表现出更低的化学活性水平。随着反应位点的减少，相邻粒子之间发生强相互作用的可能性减弱，从而降低了整体表面能。另一方面，表面粗糙度减小对应于不规则形状颗粒的边缘、拐角和突起处的断裂键浓度降低。当这些悬空键达到热力学平衡时，它们会形成各种形式的键合，例如范德华键、离子键、共价键或氢键等，使得悬空键饱和，从而降低了表面能。最后，表面粗糙度的减小降低了与周围环境相互作用的表面积，由于表面能被定义为每单位表面积的过剩焓，颗粒表面积的减小将导致表面能的降低。

　　Laila 等对超细铝粉进行了表面改性，从而减低了超细铝粉的表面能。原始铝粉颗粒表面的凹凸起伏较大。经过纳米二氧化硅涂覆后，由于纳米级的二氧化硅颗粒填充了粉末表面的凹凸区域，减少了粉末表面的粗糙度。经过硅烷处理后，粉末表面的粗糙度也明显降低。实验结果表明，两种减小粉末表面粗糙度的改性方式都减少了粉末颗粒之间的真实接触面积，降低了粉末颗粒的表面能，导致颗粒间的内聚力急剧下降，从而改善了粉末的流动性、降低了粉末间的粘附力。

　　其次，可以利用粉末原位微氧化的方式降低表面能。原位微氧化降低颗粒表面能的机制在于金属粉末颗粒表面氧化物层的形成。首先，在粉末制备过程中，金属粉末与环境中引入的氧气发生反应，在表面形成一层薄薄的金属氧化物层。当粉末暴露在空气中，这些氧化物层将抑制内部的金属基材与大气中的氧气之间的进一步反应。因此，可用于与空气环境相互作用的未反应金属位点减少，从而导致总表面能降低。其次，氧化层的形成也会引起粉末颗粒表面电子排布结构的变化。氧化过程中将氧引入晶格会改变金属原子周围的电子分布，导致价电子集中在氧原子周围。这种电子重新分布削弱了相邻颗粒之间的吸引力，导致表面能降低。此外，氧原子的引入也会导致金属键配位数减少。与基体中的原子相比，位于表面的原子表现出较低的配位数。氧化后，金属 - 氧键合网络的形成有助于使先前的悬空键饱和，从而减少了配位不足的不饱和键的数量。因此，这也增强了颗粒表面的稳定性并降低了表面能。

　　作者团队通过在粉末雾化过程中对颗粒表面进行氧钝化处理来降低粉末颗粒的表面能，进而研究对粉末铺粉及成形质量的影响。采用 GH3230 合金棒作为母合金，将合金棒放入熔炼坩埚中熔炼，当过热度达到 250 ℃时，将金属液倒入中间包坩埚，通过底部导流进入下端雾化器。在雾化器出口处，粉末被高压气体破碎成金属液滴，雾化气体为高纯氩气。为了实现粉末颗粒表面的微氧化效果，液滴在雾化室内飞行凝固过程中，向雾化室中部通入少量高纯氧气，氩气与氧气的流量比为 1500:1。高温凝固过程中，氧气在粉末颗粒表面形成薄薄的氧化层，凝固的液滴颗粒被收集在粉末罐中。原始 GH3230 粉末以及经原位微氧化后的 GH3230 粉末的形态主要是球形或近球形，粉末中均存在少量的异形颗粒和卫星粉。进一步观察发现，原位微氧化后，粉末中的卫星粉数量减少。这主要是由于在雾化过程中，颗粒表面微量氧的存在，改变了颗粒的表面状态，导致微细颗粒粘附在大颗粒表面的倾向性减弱。实验结果表明，原位微氧化处理后，粉末的流动铺展性显著改善，粉末床铺粉密度提升，成形致密度提高。

　　两种粉末成形试样中均存在裂纹和孔隙两种缺陷形态。与原始氩气雾化粉末成形结果对比，经过原位微氧化后的试样中裂纹和孔隙缺陷减少，裂纹宽度变窄，长度变短，孔隙数量减少，成形致密度提升。这表明，通过原位微氧化过程，对颗粒表面实现微氧化，降低表面能，提升了粉末的流动性和铺展性，进一步提升了粉末在粉末床上的堆积密度和铺粉质量，最终促使成形致密度进一步提升。

　　因此，在粉末粒度与形态相似的情况下，粉末的表面状态(粗糙度、表面能)成为了影响粉末流动和铺展的重要参数。选择低粗糙度和低表面能的粉末会降低粉末间的内聚力，减弱粉末颗粒间的团聚趋势，增大粉末的流动性和铺展性，提高粉末的堆积密度和粉末床的铺粉密度，从而提升成形致密度、减少成形缺陷。

　　4 总结与展望

　　由金属粉末物性参数变化对冶金质量的影响研究现状可知，粉末粒度、形貌以及表面状态的变化都会显著影响粉末的铺粉和成形质量。粉末粒度分布和形貌的调整并不需要采用其他工艺手段对粉末进行二次处理，可以避免外来物质的引入。而表面能的调整通常需要引入二次处理工艺，例如通过添加异质纳米颗粒的方式对粉末表面进行包覆、利用硅烷或微氧化处理粉末表面等。因此，应该优先考虑对粉末粒度和形貌进行调整。同时，通过选择合适的工艺路线，优化制粉工艺，降低粉末中的异形粉、卫星粉的含量。通过采用有效的后处理手段，减少运输、使用过程中颗粒间或颗粒与壁面的摩擦碰撞，也是保证粉末具有良好的物性参数的有效途径之一。

　　另外，在整个成形循环过程中，粉末的物性参数会表现出动态变化。主要原因在于激光对粉末颗粒的熔化会产生飞溅，从而将飞溅颗粒引入到未熔化的粉末颗粒中，由于飞溅颗粒一般具有更大的尺寸和不规则的形貌，经过多次成形循环后，逐渐累积的飞溅颗粒将导致粉末的铺展性降低、致密度下降，同时颗粒间的空隙增多使得熔池的导热性变差，从而降低熔池的凝固速率，使得凝固组织发生变化，最终影响合金的开裂行为及成形性能。

　　因此，采用恰当的粉末的回收处理工艺也是提高粉末重复使用性、保证成形件具有较好冶金质量的关键。

　　综上所述，金属粉末物性参数的调整，应该在综合考虑打印工艺、制粉成本、操作难度等实际情况后，通过选择合适的制粉方式保证粉末的球形度、控制粗细粉末颗粒尺寸比以及混合比、在允许的情况下对粉末表面进行低表面能改性等二次处理、优化粉末的回收处理等手段，使粉末具有合理的粒度分布、更高的球形度、更低的表面粗糙度和表面能，以提升粉末的流动铺展性和粉末床铺粉密度，减少成形试样中孔隙和未熔合缺陷的数量，提升成形致密度，从而提高成形试样的冶金质量。后续仍需要针对更广泛类型的金属粉末开展系统性的研究，匹配最佳的金属粉末物性参数、打印工艺参数与后处理工艺参数，进一步提升铺粉激光增材制造的冶金质量，以服务于国民经济发展和国防现代化的重大需求。

毕中南;张 鹏;张浩鹏,北京钢研高纳科技股份有限公司;钢铁研究总院高温材料研究所;钢研国际新材料创新中心(深圳)有限公司;北京理工大学材料学院,202406