廣州納聯(lián):金屬球形3D打印粉體含水量與流動性探索實驗

南極熊前言：金屬3D打印的市場現(xiàn)在很火熱，生產金屬粉末材料的廠家也不斷冒出水面，其中有不少是做傳統(tǒng)金屬粉末材料的工廠，也看到了這塊蛋糕，開始殺入市場，而且價格非常低。

在一次交流中，有人告訴南極熊，現(xiàn)在的金屬3D打印粉末材料，有人賣到50元/kg了，比FDM的PLA線條材料還要便宜，但質量就不可恭維。有人買回去用了叫苦不迭！

但是，質量好的、可以達標的金屬3D打印粉末材料，價格一般也得幾百元1kg。一分錢一分貨啊。


下文是廣州納聯(lián)材料（主營金屬3D打印粉末材料制備和銷售）向南極熊的投稿。

金屬粉末是金屬3D打印的原材料，而粉末材料在平常的保存中與空氣接觸，空氣中含有的水分對金屬粉末有什么樣的影響呢？我們增加粉體水含量和減少粉體水含量的方法對粉體濕度、流動性、氧含量等參數進行測量分析，為粉體存儲及使用前處理提供指導和借鑒。

3D打印技術對粉體的流動性要求很高，粉體流動性影響因素主要有五大類：
1）粒度：粉體比表面積與粒度成反比，粉體粒度越小，則比表面積越大。隨著粉體粒度的減小，粉體之間分子引力、靜電引力作用逐漸增大，降低粉體顆粒的流動性；其次，粉體粒度越小，粒子間越容易吸附、聚集成團，黏結性增大，導致休止角增大，流動性變差；再次，粉體粒度減小，顆粒間容易形成緊密堆積，使得透氣率下降，壓縮率增加，粉體的流動性下降。

2）形態(tài)：除了顆粒粒徑以外，顆粒形態(tài)對流動性的影響也非常顯著。粒徑大小相等，形狀不同的粉末其流動性也不同。顯而易見，球形粒子相互間的接觸面積最小，其流動性最好。針片狀的粒子表面有大量的平面接觸點，以及不規(guī)則粒子間的剪切力，故流動性差。

3）溫度：據報道：熱處理可使粉末的松裝密度和振實密度增加。這是因為，溫度升高后粉末顆粒的致密度提高。但是當溫度升高到一定程度后，粉體的流動性會下降，因為在高溫下粉體的黏附性明顯增加，粉粒與粉體之間或者粉體與器壁之間發(fā)生黏附，使得粉體流動性降低。如果溫度超過粉體熔點時，粉體會變成液體，使黏附作用更強。

4）水含量：粉末干燥狀態(tài)時，流動性一般較好，如果過于干燥，則會因為靜電作用導致顆粒相互吸引，使流動性變差。當含有少量水分時，水分被吸附顆粒表面，以表面吸附水的形式存在，對粉體的流動性影響不大。水分繼續(xù)增加，在顆粒吸附水的周圍形成水膜，顆粒間發(fā)生相對移動的阻力變大，導致粉體的流動性下降。當水分增加到超過最大分子結合水時，水分含量越多其流動性指數越低，粉體流動性越差。

5）顆粒間的相互作用：粉體間的摩擦性質和內聚性質對粉體的流動性同樣用著很大的影響。粒度和形態(tài)不同的粉體，其內聚性和摩擦性對粉體流動性的影響程度是不同的，當粉體粒度較大時，粉體流動性主要取決于粉體的形貌，這是因為體積力遠大于粉粒間的內聚力，表面粗糙的粉體顆�；蚴切螒B(tài)不均勻的粉體顆粒的流動性都較差。當粉體顆粒很小，粉體的流動性主要取決于粉體顆粒間的內聚力，因為此時的體積力遠小于顆粒間的內聚力。

1. 實驗
實驗著重研究水含量對粉體流動性的影響，分別用增加水含量和降低水含量的方法對粉體流動性進行研究。實驗對象為本司氣霧化方法生產的316L球形金屬粉末，粒度分布D10=16.68μm，D50=27.82μm，D90=47.07μm。
增加水含量實驗為將同一批粉末分為均等質量的三份分別存儲在不同濕度恒定的環(huán)境下存儲，用濕度計測試粉末濕度，并測量粉末的流動性，觀察粉末濕度對流動性的影響。如表1所示。

表1 增加水含量實驗表

降低水含量的方法采用烘干方法，取同一批粉末，分別對烘干溫度、烘干時間、烘干氛圍、烘干重量等進行實驗，研究不同條件下粉末流動性的影響規(guī)律。如表2所示。

表2 減少水含量實驗表

測試設備：粉末濕度——粉體濕度計，環(huán)境濕度——溫濕度計，流動性——霍爾流速計，氧氮含量——ON3000氧氮分析儀。
2. 數據分析
2.1 增加水含量實驗結果
粉末原始濕度為54.06%RH，流動性用霍爾流速表征為27.53 s/50g，測試環(huán)境濕度為56%RH，溫度為室溫。原始粉末分別在四種設定的室溫恒濕條件下存放，測試粉末濕度及四個參數下終態(tài)粉末的流動性。粉末濕度變化如圖1所示，粉末流動性如表3。
當環(huán)境濕度大于粉末濕度時，環(huán)境水含量直接影響粉體的水含量，且由于粉體顆粒比表面積大，環(huán)境濕度對粉末濕度影響時間較短，放置在特定濕度環(huán)境下的粉末經過很短時間立即變?yōu)榄h(huán)境濕度。當環(huán)境濕度低于粉末濕度時，短時間的室溫條件下，粉末濕度不隨環(huán)境濕度下降而降低。且環(huán)境濕度在70%RH粉末流動性較差，環(huán)境濕度為85%RH時粉末無流動性。

表3 粉末濕度及流動性

圖1 粉末濕度隨時間變化數據

2.2 減少水含量實驗結果
減少粉末水含量最直接的方法是將粉末中的水分加熱，使水分脫離粉末。通過對加熱溫度、加熱時間、加熱氛圍、每次加熱粉末量進行研究，掌握粉末烘干規(guī)律。
2.2.1 烘干溫度
不同烘干溫度下粉末流動性均有所提高，在溫度達到120℃和160℃時烘干效果較好，流動性得到較大提高。粉末氧含量在各個溫度下烘干均無明顯增加。

圖2 烘干溫度與流動性

2.2.2 烘干時間

圖3 烘干時間與流動性

隨著烘干時間延長、水蒸氣蒸發(fā)量越大、烘箱內壓力升高；烘干后的粉末本身水含量減少、流動性均較未烘干粉末流動時間短、流動性好。在120℃真空下烘干8h時粉末流動時間減少了8.43s。
2.2.3 烘干氛圍
如圖4所示，不同烘干氛圍條件下，非真空烘干均較真空烘干條件流動性要好，且流動性的提高量較高。原因可能是敞開環(huán)境，高溫下有利于水蒸氣蒸發(fā)，更快的將水蒸氣帶離了金屬顆粒表面，使金屬顆粒更干燥。
如圖5所示，無論在真空條件下烘干和非真空條件下烘干，還是烘干時間長短；粉末的氧含量均無明顯增加。

圖4 烘干氣氛與流動性

圖5 烘干氣氛與氧含量

2.2.4 烘干重量
由圖6可以看出，烘干時間一定，隨著烘干粉末質量增加、其烘干的厚度增加，流速時間也加長，但總體來講烘干是有提高粉體流動性的。

圖6 烘干粉末重量與氧含量

3. 結論
1）當環(huán)境濕度大于粉末濕度時，使粉末流動性變差；當環(huán)境濕度小于粉末濕度時，粉末濕度不會立即降低；本實驗條件下，此粒徑段粉末對環(huán)境濕度較為敏感，當環(huán)境濕度高于70%RH時流動性變差甚至無流動性
2）隨烘干溫度的增加粉末烘干后流動性提高，且160℃以下烘干均不會增加316L粉末的氧含量；真空烘干時，隨著烘干時間延長，粉末流動性變好；當延長至12h，粉末流速不變；真空干燥和非真空干燥兩種烘干氛圍相比，非真空干燥的干燥效果更好；在120℃條件下烘干，烘干氣氛和烘干時間均不會對粉末氧含量造成不良影響；一次粉末烘干重量增加，烘干粉末厚度增加，烘干效果變差。
3）建議對流動性要求高的不銹鋼粉末，在環(huán)境濕度為60%RH以下密封保存；若流動性較原始狀態(tài)差時，可采用適宜溫度進行烘干處理。

參考文獻：
[1] Malcolm K. Stanford and Christopher DellaCorte Effects of Humidity on the Flow Characteristics of a Composite Plasma Spray Powder [J] Journal of Thermal Spray Technology. Volume 15(1) March 2016:33-36
[2] Ajit Mujumdara, Dongguang Weia, Improvement of humidity resistance of magnesium powder suing dry particle coating [J] Powder technology 140(2004)86-97.

作者：李愛紅，陳智銘，王力強，湯鑫 （ 廣州納聯(lián)材料科技有限公司）