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評(píng)價(jià)氣霧化與水霧化不銹鋼中粒徑和粒形對流動(dòng)性的影響

美國麥克儀器 2024-07-09 | 閱讀：1373

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)。

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Micromeritics FT4 粉體流變儀作為一款通用型粉體流動(dòng)性測試儀,，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),。

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FT4 粉體流變儀測試結(jié)果

在 FT4 粉體流變儀中進(jìn)行的所有測試都先經(jīng)過預(yù)處理程序,，以確保在測量流動(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,。

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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

剪切池測試使粉體層之間相互剪切（旋轉(zhuǎn)）,，同時(shí)測量初始屈服時(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。壁面摩擦測試（下方右圖）測量粉體與加工設(shè)備所代表材料之間的摩擦作用,。在該測試中,，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,。

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· 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,。在此測試中,，標(biāo)準(zhǔn)的 FT4 槳葉向下旋轉(zhuǎn)穿過粉層，同時(shí)測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,。

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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)行靈敏而快速的測試，可以量化不同霧化方法對粉體流動(dòng)特性的影響,，并可用于預(yù)測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),、催化劑活性檢測和粒徑測定,。

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,。

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