2.1.2　粉末特性对金属3D打印制件性能的影响

（1）致密度

致密度是3D打印零件能否满足使用要求的首要质量要素，决定了制件的可用性（多孔材料除外）。一般情况下，3D打印制件的致密度应该大于99%，否则，孔隙将造成打印件力学性能的恶化。在SLM技术中，制件的孔隙缺陷往往是由于不适当的参数工艺或者粉末缺陷（如空心粉）导致的收缩、球化（balling）以及蒸发作用引起的［27］。对于粉末而言，粒径分布是影响致密度的最大因素。Spierings［28］报道了不同粉末粒径的316L不锈钢打印件致密度与Concept Laser M1打印参数的相关性。高斯分布的细粉Type 1（D₉₀=30.8μm）在所有激光能量密度和层厚（30μm和45μm）条件下获得最高致密度；加入了一定量细粉（<15μm）的粗粉末Type 3（D₉₀=59.7μm）也可以获得较高的致密度（见图2-17）。

Liu［19］研究了不同粒径分布的粉末在MCP SLM-Realizer 100系统中不同激光扫描速度下的成形致密度，发现宽粒径分布粉末（Osprey）在高速扫描下（150mm/s）致密度高于窄粒径分布粉末（LPW）在低速扫描下（100mm/s）的致密度，如图2-18所示。窄粒径分布粉末致密度低的原因可能是因为激光造成的细粉气化、蒸发气体卷入熔融态的金属液，形成“锁眼（keyhole）”熔池缺陷和疏松凝固组织。

Gu［12］利用EOS DMLS M270系统比较了高斯（Gauss）分布和多峰分布（Multimodal）的Ti-6Al-4V粉末的SLM打印件致密度，发现呈双峰分布的粉末打印制件具有较高的致密度，并且双峰分布的粉末具有更高的热导率（图2-19），激光熔池属于宽浅类型，焊道间交叠造成更小的孔隙率。此外也有研究人员［29］认为由于多峰型粉末具有更高的堆积密度，故其打印制件具有更高的致密度。

（2）表面质量

3D打印制件的表面粗糙度是其质量的直观表现。对于受循环应力的工件，表面粗糙度要求达到R_a≈0.8μm以避免制件的过早疲劳失效。SLM技术制备的金属制件的表面粗糙度一般在8～10μm。3D打印逐层制造过程中，熔池的几何形状以及由于Marangoni运动引起的流动波纹和部分熔融的黏附粉体影响了制件最终的表面质量。不同粒度分布的粉末对激光束的吸收和散射作用差异造成了粉床传热系数、温度分布的差异，导致熔池形状的差别，从而影响到打印样品表面质量［25］。

Lee等人［21］通过改变粉末的粒径分布计算了熔池形状的变化，发现粗粒径粉体在激光作用下，其熔池边缘形状波动大于小粒径粉末，形成熔池的不连续，从而使得制件表面粗糙，甚至在打印过程中出现熔池的“球化”现象，使得打印制件出现开裂，造成打印的失败，如图2-12所示。另外，较小的原料粉末粒度和较小的粉床厚度，有助于提高制件表面质量。需要指出，当采用细粉打印边缘尖锐、具有45°斜角的部件时，由于过高的热积累效应，其表面反而更为粗糙。

（3）微观组织

无论是晶粒尺寸、形貌以及相组成，3D打印制件的微观组织结构不同于传统铸造或锻造制备技术，这是由于高能量束作用下的快速凝固以及逐层加热-冷却循环造成的，如图2-20所示［30］。高达103～108K/s的加热、冷却速率使制件微观晶粒亚结构组织尺寸往往小于1μm，这种非平衡状态下的凝固、固态相变不同于传统铸造条件，为亚稳相的形核与生长提供可能［31］。

2017年，Nature Materials报道了利用两种粉末床熔融设备（Concept和Fraunhofer）的SLM技术制备316L不锈钢制件的多尺度组织结构和化学成分表征，从介观尺度的晶粒，到微观尺度的微晶晶胞、晶胞壁，再到纳米尺度的析出沉淀相［32］。研究展示了激光快速凝固和固态相变作用下，3D打印316L不锈钢制件组织的多样性和复杂性。这也为研究材料-工艺-组织的关系，实现制件力学性能的改进与优化提供了丰富的可操作空间，如图2-21所示。

作为原材料的金属粉末，其化学成分是影响制件相组成、微观组织的重要因素之一。Starr［33］研究了17-4PH不锈钢的氩气雾化粉末（AGA）和氮气雾化粉末（NGA）的SLM打印件的相组成，发现NGA粉末打印件几乎全部为奥氏体组织（>96%），而AGA粉末打印件大部分为马氏体组织（约76%）。原因在于NGA粉末中残余的N元素是一种奥氏体稳定元素，其存在阻碍了奥氏体-马氏体相变的发生。另外，粉末作为一种高比表面积材料，由于存在表面氧化膜，其氧含量往往高于块体材料。Simchi［34］将粉末氧化物含量与选区激光烧结样品的孔隙率联系发现，粉末氧化物含量的增加使得打印样品孔隙率增高。汤慧萍等人［35］发现即使是在SEBM技术的高真空环境中，重复使用4次后Ti-6Al-4V ELI粉末的氧增量超标，只能降级为Ti-6Al-4V使用。也有研究指出，高氧含量若加以合理利用，可以增加粉末床激光吸收系数，提高温度梯度，进而增加熔池凝固的过冷度，实现晶粒的细化。Averyanova等人［36］研究了两种不同粒度的17-4PH钢粉末在PHENIX System PM 100设备上的打印件组织结构，发现细粉（D₉₀<16μm）打印件中马氏体含量（38%）远高于粗粉（D₉₀<25μm）打印件（6%）。Olakanmi等人［37］研究了双峰分布的Al-Si粉末打印件组织，发现在粉末振实密度最大的打印制件中，枝晶组织最细，这可能与不同粒径粉末的粉床密度、粉床热传导系数的不同有关。但是对Ti-6Al-4V不同粒径粉末的3D打印零件的组织性能的研究发现，双峰分布和高斯分布的粉末在相组成和组织特征上一致。因此，粉末特性对3D打印制件微观组织的影响仍有待进一步的研究。

（4）力学性能

3D打印研究的重要目标之一就是实现结构件的生产，这要求3D打印零件与传统铸锻件相比，具有相当或更优异的力学性能，或者在相同的力学性能下，提高效率、节省材料。目前，绝大多数研究集中在3D打印工艺对零件力学性能的影响，例如激光功率、扫描速度、扫描方式和铺粉厚度等。如前文所述，粉体粒径分布的不同可以造成制件致密度的差异，更多的孔隙率将恶化制件的力学性能。Liu［19］研究了在改变MCP SLM-Realizer 100设备激光工艺参数条件下，316L合金两种不同粒径分布粉末的SLM打印件的力学性能，发现宽粒径分布粉末（Osprey）制件侧表面粗糙度更小、抗拉强度更低，延伸率提高，如图2-22所示。

Bourell等人［38］使用Concept Laser M1设备对不同粒度316L不锈钢粉末SLM样件性能进行对比，发现其力学性能与粉末粒径分布有关：粉末含有更多较细的粉末时，样件具有更高的相对密度与强度；反之，样件具有更高的断裂延伸率，如图2-23所示。

此外，粉末的形貌也会影响制件的力学性能。Attar等人［39］利用MTT SLM250 HL设备打印制备TiB增强钛基复合材料，他们将Ti与TiB₂混合粉体机械球磨，分别经过2h和4h球磨后，发现TiB₂粉体镶嵌在Ti粉颗粒表面，且混合粉末形貌分别呈现近球形（2h）和不规则形状（4h）（如图2-24所示）。对打印试样的相对密度和力学性能对比发现，采用近球形混合粉末打印的样件致密度和压缩延伸率均较不规则粉末有大幅度的提高，其可能原因如下，强化颗粒与基体的界面在受力的情况下，应力容易在界面曲率大的地方（界面尖锐处）集中，从而形成裂纹，导致颗粒强化作用失效，近球形颗粒与不规则形状的颗粒相比，与基体的界面更加平滑，更不容易出现应力集中的情况，因此具有更高的强度和延伸率。

Ahsan［9］研究了GA粉与PREP粉在激光直接沉积工艺中对打印样品的影响。设备使用1.5kW二极管激光器配合同轴沉积喷嘴。结果表明，在相同激光功率下，PREP粉末打印制件致密度高于GA粉末，而GA粉末制件具有更高的硬度（如图2-25所示）。

粉末材料的化学成分也是影响制件力学性能的重要因素。Yan等人［40］总结了不同氧含量对钛合金3D打印样品室温塑性的影响。氧含量对3D打印制件室温塑性的影响主要取决于组织结构的演变：在氧含量一定的情况下，形成的α'马氏体结构样品的室温塑性远低于（α+β）结构；当氧含量高于0.15%时，具有α'马氏体结构样品的室温塑性显著降低；随着氧含量进一步增加至0.22%～0.25%时，制件发生脆化；在氧含量不超过0.36%的情况下，（α+β）结构的室温塑性降幅较小，基本保持不变，如图2-26所示。

此外，也有研究人员针对3D打印的特点，将粉末成分根据其用途进行微调以优化其工艺。一些研究工作发现，微量添加某些元素或化合物有助于3D打印质量的提高。例如，Fe₃P的添加可以与Fe元素形成共晶相，降低激光输入功率的同时，由于其激光熔池表面张力的降低，改善了打印样品的表面质量［41］。

目前报道的金属粉末的化学成分仍然以牌号金属为主，往往给出了包含元素的上下限。但是上述研究证明，为了提高打印件质量和性能的稳定性，需要根据用途和3D打印工艺特点对合金成分进行设计，这方面的工作目前仍然缺乏深入的研究，有望成为金属3D打印材料研发的热点。

（5）粉末循环利用中的变化与影响

3D打印技术显著的技术特点之一是粉末材料的循环使用。重复使用后粉末特性的变化也将对材料的力学性能有一定的影响。西北有色金属研究院汤慧萍等［35］在Arcam A2型SEBM设备上研究了Ti-6Al-4V合金21次循环使用过程中粉末性能及打印件性能的变化。图2-27是循环使用中粉末形貌的变化情况，表2-1是打印件力学性能随粉末循环使用次数的变化情况。结果表明，随着循环次数的增加，Ti-6Al-4V粉末氧含量（质量分数）从初始的0.08%增加至循环21次后的0.19%；粉末粒径分布变窄，粉末流动性能变好。在重复使用16次后，粉末出现明显的变形和粗糙表面，然而粉末重复使用并未对打印件的静态力学性能产生明显影响。