CN111633208A - 一种控制粉末流动性对打印成形质量控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种控制粉末流动性对打印成形质量控制方法，依次通过将金属粉末样品置于真空箱内进行干燥；将干燥后的金属粉末置于流变仪设备进行操作；通过电脑将数据进行处理分析得出流动性指标；利用选区激光熔化打印设备对金属粉末进行打印；以及利用显微镜以及分析软件对打印样品进行致密度统计的步骤，对金属粉末的流动性参数作出范围性限定，可以有效的打印出成形质量较好的产品，拓宽金属粉末评定流动性的工艺应用范围。

Description

一种控制粉末流动性对打印成形质量控制方法

技术领域

本发明涉及选区激光熔化技术领域，尤其涉及一种控制粉末流动性对打印成形质量控制方法。

背景技术

近些年来，工业发展迅速，作为增材制造(Additive Manufacturing)的技术之一，选区激光熔化技术(SLM,Selective Laser Melting)减少了对于零件尺寸形状的限制，更大程度上的增加了轻量化零件的制造能力，同时由于粉末可回收，也减少了资源浪费，这使得零件制造能力大大增加。选区激光熔化技术主要应用在航空航天、医疗和自动化领域。铝合金具有密度轻、弹性好、能够更加实现零件轻量化，因此被应用在选区激光熔化领域之中。粉末作为选区激光熔化技术的原材料，流动性影响着打印零件时的铺粉质量，如果粉末流动性差，则不能保证铺粉的均匀性，从而导致后续打印零件质量变差。因此流动性的好坏是评定粉末的一个重要指标，也能够预测打印成形质量的好坏。

在传统粉末流动性评定方法中，主要有霍尔流速仪、休止角、分散度、松装密度等方法。每种评定方法都有其独特优势，但同样存在着局限性。

霍尔流速仪通过以50g金属粉末流过标准漏斗所需要的时间来表示粉末的流动性，采用5mm的漏斗测试粉末松装密度值。休止角通过将金属粉末自然堆积，在静止状态下，观察斜面与粉末形成的最大角度。粉末流动性能好，其休止角就越小。这两种方法的缺点是每个测试得到的数据较单一，对部分无法适用霍尔流速仪的粉末无法评定流动性。分散度指粉末从一定高度落下时的散落程度，如飞溅度太大，则影响选区激光熔化过程中的铺粉效果。缺点是测试得到的数据较单一，对AlSi10Mg粉末来说，这种评定方法极易造成实验安全隐患。松装密度是指合金粉末在特定容器中，处于自然填充满的密度。

上述的粉末流动性评定方法，都是在不同实验环境下进行测试，极易造成实验误差，从而影响判断结果。

目前选区激光熔化技术的打印质量最高能够达到99.5％及以上，但是达到这一目标，采用的方法大多数是实验试错法，增加了实验经费成本和时间成本，人力物力也会损耗很多。

因此，有待制定一种通过测定Al-Si系粉末流动性的好坏来控制选区激光熔化打印成形质量的好坏的方法，显得尤为重要。

发明内容

本发明的目的在于提出一种应用范围广，质量把控精准的控制粉末流动性对打印成形质量控制方法。

为达到上述目的，本发明提出一种控制粉末流动性对打印成形质量控制方法，包括以下步骤：

步骤1：将金属粉末样品置于真空箱内进行干燥；

步骤2：将干燥后的金属粉末置于流变仪设备进行操作；

步骤3：通过电脑将数据进行处理分析得出流动性指标；

步骤4：利用选区激光熔化打印设备对金属粉末进行打印；

步骤5：利用显微镜以及分析软件对打印样品进行致密度统计。

优选的，所述金属粉末为Al-Si系金属粉末。

优选的，所述Al-Si系金属粉末的流动性指标表为：基本流动能在180-201mJ、比流动能在2-3.2mJ/g、松装密度在1.41-1.6g/ml、振实松装密度在1.6-1.68g/ml、充气能在2-3mJ、压缩性在3-5％以及剪切应力在2.5-3.2kPa的范围内。

优选的，在步骤1中，将金属粉末置于真空干燥箱中在真空气氛下烘干8小时，温度为80℃。

优选的，在步骤5中，对打印样品进行致密度统计前，对所述打印样品进行预处理工艺，所述预处理工艺为依次对打印样品进行打磨、抛光以及清洗处理。

优选的，所述打磨采用砂纸进行打磨，所述抛光溶剂采用BUEHLER MasterprepTM0.05μm溶液；所述清洗采用无水乙醇进行处理。

与现有技术相比，本发明的优势之处在于：本发明的控制方法对粉末原料无严格限定，适用性广泛，对材料尺寸无特别要求，可对实验多次重复测试，对流动性不同的粉末材料，可以有效的区分打印成形质量的好坏，同时对选区激光熔化打印成形质量得到良好的预测，在流动性参数中，基本流动能在180-201mJ、比流动能在2-3.2mJ/g、松装密度在1.41-1.6g/ml、振实松装密度在1.6-1.68g/ml、充气能在2-3mJ、压缩性在3-5％、剪切应力在2.5-3.2kPa的范围内，可以有效的打印出成形质量较好的样品。大大拓宽了金属粉末评定流动性的工艺应用范围，大大节约了实验经费成本和时间成本。

附图说明

图1为本发明粉末流动性测试所用的实验装置示意图。

图2为本发明实施例三种AlSi10Mg粉末扫描电子显微镜(SEM)形貌图。

图3为本发明实施例中三种AlSi10Mg粉末流动性分析图。

图4为本发明实施例中三种AlSi10Mg粉末打印样品光学显微镜分析图。。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明的技术方案作进一步地说明。

下面将通过三种AlSi10Mg粉末材料对本发明的具体实施方案以及有益效果做出进一步的解释说明，所用的AlSi10Mg粉末材料为市售粒径分布范围在20-63μm的粉末材料，所用流变仪为市售流变仪，所用选区激光熔化设备为市售设备。其他辅助实验材料均市售可得。

如图1所示，采用流动性测试仪对金属粉末进行流动性指标检测；其中，1为电脑，2为二数据线，3为流动性测试仪。

AlSi10Mg粉末流动性评定的步骤：

将三种粉末放入干燥箱进行真空气氛下烘干8小时；

打开流变仪设备，按照说明书进行操作；

数据收集完毕，采用电脑对数据进行下载、数据处理和分析。

选区激光熔化领域中AlSi10Mg打印成形质量的评定步骤：

采用AlSi10Mg粉末打印15*15*15的方块样品；

将样品通过磨抛等实验步骤，将样品抛光至镜面；

通过显微镜设备和数据分析软件对打印样品进行致密度统计。

表1

对实施例制备的AlSi10Mg粉末试样进行扫描电子显微镜(SEM)形貌分析和流动性测试以及打印成形质量的致密度统计分析。

表1为三种AlSi10Mg粉末样品化学成分，三种粉末化学成分满足DIN EN-1706标准。图2为三种样品的扫描电镜下的形貌图，从图中可以看出，样品1和样品2的球形度较好，不规则形状尺寸的粉末颗粒较少，样品2有少许的团聚粉末存在。样品3的粉末球形度较差，有大量的团聚现象，粒径均匀性差，影响粉末的流动性，容易导致粉末铺粉不均匀。

表2和图3是通过流变仪采集数据得到的三种样品的流变性能。在流动性测试实验中，将被测粉末装满容器通过记录旋转叶片通过粉末床时所施加的扭矩。获得一些参数：基本流动能，是叶片在指定粉末体积内向下旋转所需的能量。比流动能是测量叶片向上无约束运动所需的能量。充气能实验是将空气通入粉床底部，通过测量能量的降低来计算充气能量。能量降低的程度取决于许多粉末的物理性质，如粘聚力、形貌、密度。渗透性是材料通过粉末体积传递流体(在这种情况下是空气)的容易程度的指标。粉末的可压缩性是通过在增加的法向应力下用排气活塞压缩样品来获得的同时获得固结能。压缩指数的计算结果是将压缩后的密度除以压缩开始前测得的预处理松装密度。通过压片机旋转，粉体在实验过程中会受到一定程度的剪切应力，以确定粉末是否在流动过程中容易受到剪切力而发生堵塞或者不流动。转动壁面摩擦模块由一个装有粉末样品的容器和一个壁面摩擦头组成，以产生垂直和转动应力。壁面摩擦头向下移动到粉末表面，当圆盘接触粉末顶部时，产生法向应力，得到壁面摩擦角数值。

基本流动能、比流动能、壁面摩擦角、剪切应力、压缩性、固结能、充气能这些数据越低，表明粉末流动性越好，越不容易发生阻塞和不流动，铺粉质量也会更好。

可以通过雷达图清楚的看出，在预处理松装密度和振实松装密度数值中，样品1＞样品2＞样品3，主要是因为样品1的球形度高于其他两者。在其他参数中，例如基本流动能、压缩性、充气能等数值中，样品3＞样品2＞样品1。基于多种数据的分析下，可以得知样品1的流动性好于样品2的流动性好于样品3的流动性。

表2

图4是三种AlSi10Mg粉末样品通过同一个选区激光熔化设备同一种工艺参数打印后，通过光学显微镜拍摄的样品纵截面图片。从图中可以清晰的看出样品1和样品2无明显缺陷，样品致密度高，有明显的选区激光熔化打印熔池特征。但是样品3中，缺陷较多且有大缺陷形成，样品致密度低。其中，三种样品通过数据分析软件得到，样品1致密度为99.947％。样品2致密度为99.866％，样品3致密度为97.550％。

因此，通过分析粉末流动性可以控制和预测打印成形质量的好坏，对实际选区激光熔化领域打印样品和实验规划等具有重要意义。

上述仅为本发明的优选实施例而已，并不对本发明起到任何限制作用。任何所属技术领域的技术人员，在不脱离本发明的技术方案的范围内，对本发明揭露的技术方案和技术内容做任何形式的等同替换或修改等变动，均属未脱离本发明的技术方案的内容，仍属于本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种控制粉末流动性对打印成形质量控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：将金属粉末样品置于真空箱内进行干燥；

步骤2：将干燥后的金属粉末置于流变仪设备进行操作；

步骤3：通过电脑将数据进行处理分析得出流动性指标；

步骤4：利用选区激光熔化打印设备对金属粉末进行打印；

步骤5：利用显微镜以及分析软件对打印样品进行致密度统计。

2.根据权利要求1所述的控制粉末流动性对打印成形质量控制方法，其特征在于，所述金属粉末为Al-Si系金属粉末。

3.根据权利要求2所述的控制粉末流动性对打印成形质量控制方法，其特征在于，所述Al-Si系金属粉末的流动性指标表为：基本流动能在180-201mJ、比流动能在2-3.2mJ/g、松装密度在1.41-1.6g/ml、振实松装密度在1.6-1.68g/ml、充气能在2-3mJ、压缩性在3-5％以及剪切应力在2.5-3.2kPa的范围内。

4.根据权利要求1所述的控制粉末流动性对打印成形质量控制方法，其特征在于，在步骤1中，将金属粉末置于真空干燥箱中在真空气氛下烘干8小时，温度为80℃。

5.根据权利要求1所述的控制粉末流动性对打印成形质量控制方法，其特征在于，在步骤5中，对打印样品进行致密度统计前，对所述打印样品进行预处理工艺，所述预处理工艺为依次对打印样品进行打磨、抛光以及清洗处理。

6.根据权利要求5所述的控制粉末流动性对打印成形质量控制方法，其特征在于，所述打磨采用砂纸进行打磨，所述抛光溶剂采用BUEHLER MasterprepTM 0.05μm溶液；所述清洗采用无水乙醇进行处理。

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