淺談增材制造用金屬粉末工藝和性能及其對(duì)終產(chǎn)品的影響

來(lái)源：國(guó)家藥品監(jiān)督管理局醫(yī)療器械技術(shù)審評(píng)中心

隨著醫(yī)學(xué)影像學(xué)和數(shù)字化的快速發(fā)展，個(gè)性化、精準(zhǔn)化成為骨科發(fā)展的一個(gè)重要方向，增材制造技術(shù)是實(shí)現(xiàn)骨科手術(shù)個(gè)性化和精準(zhǔn)化的一種有效手段。骨科植入物制造商通過(guò)增材制造技術(shù)制造的類似于骨小梁多孔結(jié)構(gòu)的金屬髖臼杯、人工椎體和椎間融合器已獲準(zhǔn)上市。目前，應(yīng)用于骨科植入物的增材制造產(chǎn)品主要是以Ti-6Al-4V鈦合金粉末為原材料的電子束熔融（EBM）和激光選區(qū)熔融（SLM）技術(shù)制造。金屬粉末的顆粒形貌、粒徑分布和流動(dòng)性等性能對(duì)于增材制造終產(chǎn)品的性能具有重要影響，本文旨在簡(jiǎn)要介紹增材制造用金屬粉末的制備工藝和粉末的關(guān)鍵性能及其對(duì)終產(chǎn)品的影響。

△圖1 骨科植入物的增材制造產(chǎn)品過(guò)程

一、金屬粉末制備工藝

金屬粉末的制備過(guò)程是將經(jīng)過(guò)冶煉的合金原料（錠、棒或絲等）高溫熔融，再霧化形成粉末。目前，主要的制備工藝方法為水霧化法、氣霧化法（Electrode Induction-melting Gas Atomization，電極感應(yīng)加熱氣霧化法）、等離子體霧化法、等離子體旋轉(zhuǎn)電極霧化法(Plasma rotating electrode process)以及氫化-脫氫法等。

△表1 增材制造用金屬粉末的制備工藝

氣霧化法是將原料在空氣、惰性氣體下或在真空條件下熔融，隨后熔融合金流體通過(guò)高速空氣、氮?dú)狻⒑�氣或氬氣噴嘴霧化成顆粒。粉末顆粒大多呈球形，存在一些不規(guī)則的顆粒，顆粒粒徑范圍為0～500μm。在20～150μm范圍內(nèi)的粉體產(chǎn)量在總產(chǎn)量的10%～50%之間波動(dòng)。

△圖2 氣體霧化過(guò)程

等離子霧化法是以冶煉合金絲材或者經(jīng)過(guò)破碎處理的粉末為原料，在等離子弧和氣體噴槍的作用下霧化成顆粒。粒徑分布為0～200μm，顆粒球形度好。等離子體旋轉(zhuǎn)電極霧化法是在等離子霧化法基礎(chǔ)上改用棒材為原料，進(jìn)料過(guò)程中旋轉(zhuǎn)棒材，形成的顆粒在接觸到腔體之前已經(jīng)固化，因此粉末的純度高。顆粒粒徑在100μm以下，生產(chǎn)成本很高。

△圖3 等離子體霧化過(guò)程

雖然水霧化法和氫化-脫氫法制備粉末成本更低，但是這兩種方法制備的顆粒形貌為不規(guī)則的，因此，在增材制造領(lǐng)域應(yīng)用較為有限。從圖4中可以看出，氣霧化法制備的Ti-6Al-4V粉末形貌近似于球體，而等離子體旋轉(zhuǎn)電極霧化法制備的Ti-6Al-4V粉末純度高，顆粒形貌高度球體化。

△圖4 不同制備工藝Ti-6Al-4V粉末掃描電鏡SEM圖: (a) 水霧化法; (b) 氣霧化法; (c) 等離子體霧化法; (d) 等離子體旋轉(zhuǎn)電極霧化法。

二、粉末特性的關(guān)鍵指標(biāo)

增材制造產(chǎn)品的質(zhì)量可以從以下幾個(gè)方面綜合評(píng)價(jià)：工件的致密度、尺寸精度、表面光潔度、打印速度以及機(jī)械性能。由于鋪粉（powder bed）和增材制造設(shè)備參數(shù)聯(lián)系緊密，為達(dá)到良好的產(chǎn)品質(zhì)量，必須保證鋪粉的粉末特性（characteristics of the powder bed）和增材制造設(shè)備參數(shù)的穩(wěn)定性和一致性。目前，影響粉末特性的關(guān)鍵指標(biāo)及測(cè)試表征方法主要有以下幾個(gè)：

△表2 關(guān)鍵指標(biāo)及測(cè)試表征方法

ASTM F3049-14標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了增材制造金屬粉末性能的測(cè)試項(xiàng)目，包括粉末粒度分布（ISO 13320-1，激光粒度儀測(cè)試法；ISO 4497，篩分法）、松裝密度（ISO 3923-1和ISO 3923-2，評(píng)價(jià)粉體堆積密度）、流動(dòng)性（ASTM B213，ASTM B964）等。

（1）顆粒形貌（Particle Morphology）

顆粒形貌對(duì)粉體的堆積密度和流動(dòng)性能有很大影響。與不規(guī)則的顆粒相比，球狀的或規(guī)則的等軸顆粒傾向于有序緊密堆積。研究表明，顆粒形貌對(duì)鋪粉的堆積密度進(jìn)而對(duì)打印工件的密度有顯著影響，顆粒形貌越不規(guī)則，顆粒的堆積密度越低，導(dǎo)致增材制造產(chǎn)品存在缺陷。

△圖5 顆粒堆積對(duì)增材制造成品致密度的影響

（2）粒徑分布（Particle Size Distribution）

在能量源束斑直徑一定的條件下，粒徑分布決定了最小打印層厚度和工件細(xì)節(jié)尺寸的精度。粒徑越小，工件尺寸精度越高，但是由于鋪層厚度小，打印工件的效率低。在增材制造實(shí)體結(jié)構(gòu)時(shí)，大球體堆積形成框架，小球體填充大球體之間的孔隙，從而形成相對(duì)致密的結(jié)構(gòu)。因此，致密的材料結(jié)構(gòu)需要不同粒徑的粉體，通常選用不同粒徑的粉體按照一定體積分?jǐn)?shù)進(jìn)行混合。

通常，EBM使用的粉末粒徑分布在45～106μm，SLM使用的粉末粒徑分布更窄，介于15～45μm。粉末粒徑分布對(duì)打印構(gòu)件的最小層厚度和最精細(xì)細(xì)節(jié)的分辨率都有顯著的影響。但是，更細(xì)粉末的使用增加了健康和安全問(wèn)題的風(fēng)險(xiǎn)。在處理活性材料（如鈦）時(shí)尤其如此，因?yàn)檫@些材料的細(xì)小顆�？赡芨�易燃易爆。

（3）粉體堆積和流動(dòng)性能（Bulk Packing and Flow Properties）

對(duì)于增材制造技術(shù)，粉體的流動(dòng)性是極其重要的性能指標(biāo)，進(jìn)料粉末精確地堆積薄而均勻的粉末層，粉末層之間融化決定了工件密度的均勻性。與流動(dòng)性好的粉體相比，機(jī)械刮輥容易將粉床上團(tuán)聚形成的粗大粉末推出粉床，會(huì)導(dǎo)致原堆積位置留下空位，由于粉體流動(dòng)性較差不能回填形成的孔洞，最終可能導(dǎo)致打印終產(chǎn)品質(zhì)量下降（內(nèi)部形成孔洞），見圖6。粉體的流動(dòng)性應(yīng)遵循以下幾個(gè)規(guī)則：

(a) 球形粉末顆粒比不規(guī)則或有棱角的粉末具有更好地流動(dòng)性；
(b) 顆粒粒徑對(duì)于其流動(dòng)性有很大影響，顆粒尺寸大的比尺寸小的流動(dòng)性更好；
(c) 由于顆粒間的毛細(xì)作用，粉末的濕度會(huì)降低其流動(dòng)性；
(d) 在測(cè)量流動(dòng)性的時(shí)候，粉末的流動(dòng)性與粉末堆積密度相關(guān)，堆積密度高的粉末流動(dòng)性比堆積密度低的差；
(e) 相鄰顆粒間的吸引力如范德華力和靜電力會(huì)影響粉末的流動(dòng)性或造成粉末團(tuán)聚，對(duì)于粒徑越小的粉末該作用力越明顯。

△圖6 增材制造終產(chǎn)品中的孔隙

（4）化學(xué)成分

氮元素和氧元素作為合金間隙原子，對(duì)于增材制造鈦合金的性能有很大影響。例如，Ti-6Al-4V和純鈦的抗拉強(qiáng)度和延伸率受O元素含量的影響，隨著O含量的增加，抗拉強(qiáng)度增加但是延伸率顯著降低，終產(chǎn)品容易發(fā)生脆性斷裂，見圖7。

△圖7 不同O含量增材制造鈦合金和純鈦成品力學(xué)性能變化：(a)維氏硬度；(b)抗拉強(qiáng)度；(c)斷裂伸長(zhǎng)率

參考文獻(xiàn)：


[1] I. Gibson, D. W. Rosen and B. Stucker. Additive Manufacturing Technologies: Rapid Prototyping to Direct Digital Manufacturing [M]. Springer, New York, USA, 2010.
[2] R. M. German. Powder Metallurgy Science [M]. Metal Powder Industries Federation, Princeton, New Jersey, USA, 1994, pp. 9-58.
[3] J. M. Oh, B. G. Lee, S.-W. Cho. Oxygen Effects on the Mechanical Properties and Lattice Strain of Ti and Ti-6Al-4V [J]. Metals and Materials International. 2011, 17, (5), 733.
[4] Jason Dawes, Robert Bowerman, Ross Trepleton. Introduction to the Additive Manufacturing Powder Metallurgy Supply Chain [J]. Johnson Matthey Technology Review. 2015, 59(3): 243-256.