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不銹鋼具有耐腐蝕、抗拉強度高和維護成本低等多種特性，因此應用場景廣泛。許多不銹鋼零件制造技術中會涉及到粉體的使用，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方法是霧化法，即將液體（即熔融金屬）分解成細小的噴霧，然后凍結成粉體。根據霧化步驟所使用的介質，常見的技術可分為水霧化、氣體霧化或等離子霧化。

這三種霧化技術需要在成本和質量之間進行平衡。水霧化技術成本較低，但生產出的顆粒粗糙且不規則，可能含有雜質氧化物或氫氧化物。等離子霧化可生產出幾乎標準的球形顆粒，但成本較高。氣體霧化是一種折中選擇，它產生的顆粒球形度幾乎與等離子體霧化相似，但通常含有衛星顆粒，有一定的污染程度。每種方法生產出的粉體在形狀（其次是成分）上的不同會導致它們的流動特性具有明顯差異，從而影響應用場景的適用性。

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，之后分別分離成較小和較大粒徑等級的顆粒，而粉體 2 則是通過水霧化法生產。

Micromeritics FT4 粉體流變儀作為一款通用型粉體流動性測試儀，能夠對粉體流動特性進行自動、可靠和全面的測量。這些信息也能夠與工藝經驗相關聯，以提高加工效率并幫助質量控制。FT4 具有針對動態流動特性的模塊，它還配有一個剪切池，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行了分析，結果表明它們之間存在明顯、可重復的差異，這些差異可與加工過程中的性能相關聯。

FT4 粉體流變儀測試結果

在 FT4 粉體流變儀中進行的所有測試都先經過預處理程序，以確保在測量流動特性之前樣品堆積狀態的一致性。預處理程序消除了樣品的應力歷史狀態，減少了先前振動、加工和處理條件的影響。

·  整體特性

松裝密度是單位體積內粉體的質量，由構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，因此假定顆粒的真密度相同，均為7.94 g/cm3。預處理松裝密度 (CBD) 說明了顆粒在預處理后的狀態下是如何在重力作用下相互移動和堆積。

粉體 3 的堆積效率高，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%，這可能是內聚力增加的結果。盡管粉體 2 由相對較大較重的顆粒組成，但它的堆積效率差，僅為 43%，這也表明阻止顆粒相互移動的并非內聚力，而是顆粒形狀的不規則性。

粉體的可壓性是指測量粉體在施加 15 kPa  應力后的體積變化程度，初始體積為 85 ml，所施加應力截面為 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顆粒間空隙，因此這三種樣品都會產生少量壓縮。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），這是因為內聚力小于外加載荷，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，因此極不規則顆粒之間的互鎖咬合導致粉體 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），同時測量初始屈服時的扭矩與施加載荷的函數關系。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，需要更高的剪切應力。盡管粉體 2 的粒徑大、松裝密度低，但這種粉體顯示出顯著的摩擦和互鎖特性，這可能是由于其顆粒形狀的不規則程度較高。粉體 2 在混合等高應力和高剪切力過程中需要更多的能量和更強的作用力，并且在料斗卸料過程中最容易出現堵塞和相關問題。壁面摩擦測試（下方右圖）測量粉體與加工設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力作用下發生固結，并與標稱粗糙度為 1.2 微米的不銹鋼盤片進行剪切。

結果還顯示，粉體 2 的顆粒形狀高度不規則，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阻力最大，也可能使其更容易受到摩擦靜電的影響。

·  動態特性

粉體動態流動特性反映了在一定體積的粉體中產生特定流動所需的功。在此測試中，標準的 FT4 槳葉向下旋轉穿過粉層，同時測量在恒定速度下所需的阻力和扭矩。槳葉強制有約束流動所做的總功稱為基本流動能 (BFE)。在無約束流動中，槳葉向上旋轉通過同一粉層所需的功除以粉體總質量，稱為比流動能 (SE)。向下穿過樣品的過程中，槳葉會壓縮粉體，而在向上運動的過程中，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的作用力才能按體積量化和驅動粉體。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，這可能是因為該樣品的粉層堆積了更多的顆粒，顆粒間的接觸也更多，從而阻礙了槳葉的運動。

結論

對于激光粉體床熔融這一特定的增材制造技術而言，粉床密度是使用最佳激光功率設置時需要了解的屬性，而且通常希望盡可能達到最大的床層密度，以降低打印過程中出現缺陷的風險。FT4 粉體流變儀對三種粉體的堆積特性進行了量化，發現水霧化粉體 2 的粉床最松散，由于其顆粒形狀極不規則，也最難按照體積進行加工。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。在 FT4 粉體流變儀上進行靈敏而快速的測試，可以量化不同霧化方法對粉體流動特性的影響，并可用于預測各種條件下的工藝性能。

關于我們

Micromeritics 是提供表征顆粒、粉體和多孔材料的物理性能、化學活性和流動性的全球高性能設備生產商。我們能夠提供一系列行業前沿的技術，包括比重密度法、吸附、動態化學吸附、壓汞技術、粉末流變技術、催化劑活性檢測和粒徑測定。

公司在美國、英國和西班牙均設立了研發和生產基地，并在美洲、歐洲和亞洲設有直銷和服務業務。Micromeritics 的產品是全球具有創新力的企業、政府和學術機構旗下 10,000 多個實驗室的優選儀器。我們擁有專業的科學家隊伍和響應迅速的支持團隊，他們能夠將 Micromeritics 技術應用于各種要求嚴苛的應用中，助力客戶取得成功。