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金屬粉末關鍵的整體特性是堆積密度和流動性。 堆積一致可提供高密度粉末，確保生產的組件缺陷少、質量一致。另一方面，流動性與工藝效率有著更密切的聯系。 

影響流動性的顆粒特性包括剛度、孔隙度、表面織構、密度和靜電荷。圖 1說明了顆粒形狀和粉末流動性的各個方面之間的關系 ^[1]。粗糙的表面會增加顆粒間摩擦，而不規則形狀的顆粒更容易受到機械聯鎖；這兩種效應都會降低流動性。球形顆粒的堆積效率往往比不規則顆粒高，從而帶來更高的堆積密度 ^[2]。因此，增材制造對粉末整體特性的要求表明，球形度極可能被視為關鍵屬性，這已在業內形成普遍共識。

圖1  因減少了摩擦及降低了機械聯鎖的風險，表面光滑形狀規則的顆粒比不規則和/或更粗糙的顆粒更容易流動

在顆粒粒度方面，增材制造金屬粉末需要控制其達到微米級精細度，才能夠滿足構建厚度僅為數十微米的粉床的要求。然而，粉末粒徑過小會引發健康安全隱患（如吸入性粉塵風險）及流動性降低問題。由于顆粒間的吸引力隨著顆粒粒度的減小而增加，細粉通常比粗粉通常表現出更差的自由流動特性，但優化顆粒形狀有助于降低這種影響 ^{[1, 3]}。在堆積方面，圖 2 顯示了顆粒粒度和粒度分布的影響。最大堆積密度是通過包含粗顆粒和細顆粒的級配分布實現的，其中細顆粒通過填充粗顆粒間的空隙來提升整體密度 ^[2]。這一概念如圖 2所示。

圖2 當顆粒粒度分布包括細顆粒和粗顆粒時，堆積密度達到最大值

金屬粉末的規模化生產早于增材制造技術，市場上已存在多種化學性質一致的產品，其中大多數是通過霧化工藝制造的。這意味著顆粒粒度分布和顆粒形狀可以精確控制，但成本較高。特別是高球形度金屬粉末的成本遠遠高于不規則形狀粉末。通過精確測定粉末特性以匹配工藝需求，是實現性能優化與成本平衡的關鍵?^[4]。

增材制造中用的金屬粉末主要采用氣體霧化法制備。該工藝將原料在坩堝中熔融后，通過噴嘴噴入高壓氣流（通常為氬氣或氮氣），使金屬液流破碎形成液滴。通過調節氣體壓力、熔體特性、噴嘴設計和氣體-金屬比等參數，可控制粉末粒徑。但該工藝獲得的產品不是特別適合增材制造工藝，因為增材制造在理想條件下需要更窄的顆粒粒度分布，如圖 3 所示。需通過“刮削處理”以去除超大顆粒，并結合氣流分級或篩分等后續處理工序，方可獲得所需的粒度級。由于增材制造用粉末粒度分布較窄，導致霧化產量較低，這是增材制造專用粉末成本較高的關鍵因素之一。

圖3 氣體霧化粉末的典型霧化顆粒粒度分布，包括各種先進粉末冶金制造技術所需的粒度分布

如前所述，球狀顆粒是粉床增材制造的首選，因為它能提供更好的顆粒堆積密度和流動特性。氣體霧化法獲得的顆粒雖然具有相對球型特征，但仍可能存在衛星顆粒（細小顆粒與較大顆粒在霧化過程中熔合或團聚形成的非規則形態）等缺陷。這不僅影響流動性和密實度，還因為衛星顆粒太小（通常是 1-10 微米），若脫離主體可能形成空氣懸浮物造成健康與安全隱患?。更高球形度顆粒可以通過等離子霧化法或等離子旋轉電極工藝 (PREP) 獲得，但成本顯著提高。

激光衍射的測量范圍在 0.01 - 3,500 μm 之間，是大多數增材制造應用選擇的一種粒度測量技術，特別是針對較小的粒度范圍時，激光衍射系統根據準直激光束穿過樣品時產生的光散射譜圖確定顆粒粒度。

Mastersizer 3000+ 激光衍射系統高度自動化，可實現“一鍵式”操作，并且只需最少的人工干預即可提供高通量分析。除了基于實驗室的激光衍射系統外，還有在線測試系統（如 Insitec在線粒度儀），實時監控顆粒粒度，實現自動化工藝控制。它們可用于在霧化、研磨或噴霧干燥過程中監測顆粒粒度變化，或在最終用戶設施中用于自動處理和回收粉末 ^[5]。

圖4 用于制造金屬粉末的氣體霧化過程的示意圖，綠色圓點標出在線粒度儀工作的環節

圖5顯示了在 Mastersizer 3000+ 上使用濕法和干法分散制備的四份金屬粉末的測量結果。濕法或干法分散可用于處理金屬粉末，如果優化了分散程序且采樣具有可比性，則應具有等效結果。對于圖 5 中 <150μm 的粒級，干法和濕法測量之間存在明顯差異，這是由于細顆粒在干燥狀態下粘附到較大顆粒上或采樣差異所致 ^[6]。

圖5 每種不銹鋼 316L 粉末樣品的濕法和干法測量比較。在每種情況下，紅色跡線為干法測量 PSD，綠色跡線為濕法測量 PSD（每個 PSD 均為五次測量的平均結果）

表 1 顯示了 Mastersizer 3000+（實驗室分析儀）和 Insitec（在線分析儀）對四種粒級的不銹鋼粉末進行干法分散測量的比較。Insitec 和 Mastersizer 在所有粒級上均具有良好的一致性，Insitec 的結果高出不到 2％ ^[7]。

表 1  四種粒級不銹鋼粉末在 Mastersizer 3000+（實驗室分析儀）和 Insitec（在線分析儀）之間的比較

在增材層制造中，通常使用三種出色的技術來表征顆粒：動態圖像分析、自動靜態圖像分析和掃描電子顯微術 (SEM)。區分這些技術的簡單方法是比較成像顆粒的數量和這些圖像的分辨率 ^[8]：

• 動態圖像分析將產生非常多的圖像，但分辨率通常太低，無法捕獲精細材料或表征表面織構。

• SEM 將產生非常高的分辨率并捕獲精細的表面細節，但較少的圖像數量決定了它只能是一種定性技術。

• 處于中間位置的是自動靜態圖像分析，它可以平衡分辨率，使其足以捕獲精細材料和表面織構，同時提供與統計相關的圖像數量，以便進行定性和定量分析。

圖6  圖中顯示了自動成像測量的常規工作流程

自動成像技術適用于粒度范圍約0.5 微米 至 1毫米以上的顆粒，可為達到統計數量的顆粒群體提供粒度和形狀測量 – 可以是干粉分散的顆粒，也可以是液體介質中的顆粒。自動成像是一種高效的技術，用于生成數據以全面優化金屬顆粒形態。自動成像系統只需幾分鐘即可在分散樣品中捕獲數萬個顆粒的單獨圖像。圖 6 顯示了自動成像測量的常規工作流程，圖7 顯示了此工作流程中顯示的一些典型顆粒形態。

圖7 通過自動圖像分析顯示的顆粒形態參數 為每個顆粒計算多個粒度和形狀參數，用于建立統計上顯著的基于數量的分布。

最常用的形狀參數是圓度（顆粒周長/同等面積圓的周長）和高靈敏度圓度（周長/同等面積圓的周長）²，盡管可以設置自定義分類來查看附屬物。圖 8 顯示了使用 Morphologi 4 全自動粒度粒形分析儀拍攝的幾張金屬粉末圖像，這些圖像是根據形狀自動分類和分組的，例如它們是球狀的還是細長的，或者它們是否有附屬物 ^[9]。

圖8 增材制造金屬粉末的顆粒分級以及相應的顆粒圖像

參考文獻：

[1]  DF. Heaney, Handbook of metal injection molding, Woodhead Publishing, 2012

[2]  J.P. Bennett 和 J.D. Smith, Fundamentals of Refractory Technology (Ceramic Transaction Series), Volume 25, 2001 (American Chemical Society)

[3]  C.N. Davies, Aerosol Science, Academic Press, London and New York, 1966

[4]    The importance of powder quality in powder bed Additive Manufacturing processes: A MalvernPanalytical webinar available for viewing.

[5]  J. DeNigris, “Taking control of metal powder properties: Exploring the benefits of real-time particle sizing,” Met. Powder Rep., 73, No. 4, 202–207 (2018).

[6]     Determining the particle size distribution of metal powders using wet and dry dispersion on the Mastersizer 3000: A Malvern Panalytical Application Note available for download

[7]     M. Tulley, S. Hall, U. M. Attia, J. Dawes, J. Ashby, and G. Thornton, Feasibility Assessment of Using In-Process Measurement Analysers for Metal Powders, Euro PM2019

[8]     8 reasons why it’s time to upgrade to automated imaging: A Malvern Panalytical White Paper available for download

[9]     Characterising the particle size and shape of metal powders for Additive Layer Manufacturing: A Malvern Panalytical Application Note available for download