金屬粉體表徵與流動性

2020年12月，Nature 發表了奧斯特拉瓦大學（捷克）研究人員關於金屬粉表徵與流動性方法的文章。

金屬零件用傳統方法和現代方法製造。許多現代方法從金屬粉出發，經壓制、燒結、噴塗，或經增材製造轉化：選擇性雷射熔化（SLM）、雷射送粉（LPF）、黏結劑噴射（BJ）與電子束粉床（EPBF）。方法的選擇會改變零件性能，但粉體的輸入特性在每種情況下都重要：流動性、化學成分、顆粒尺寸、光學與熱物性、表面張力。每種增材工藝對粉體參數有自己的要求。

增材製造越普及，金屬粉的表徵就越重要。粉體特性必須適合每台設備，製造必須均勻。文章表徵十種金屬粉（316L、Zn、Sn、Al、Cu、Mn、Fe、青銅、Ti、Mo）：粒度分布、形貌、靜態與動態休止角、有效內摩擦角（AIFE）。

出料速度用靜態休止角（AOR）評價，AOR 的變化補充描述樣品行為。流動性也用 RST、PFT 與 FT4 剪切試驗測定。靜態 AOR 用專利 PV2015-239 保護的儀器測量。下面介紹奧斯特拉瓦技術大學 VSB 的儀器以及靜態與動態出料角方法的試驗。該儀器名為 Zenegero。

AOR 調節儀器

十種金屬粉的靜態 AOR

下面是動態休止角（DAOR）測量的摘要。對大多數樣品，轉速從 0.2 Hz 增至 0.6 Hz 時，測得的平均角度增大。圖中包括全部樣品：316L、Sn、Ti、Fe、青銅、Al、Cu、Zn、Mn 與 Mo。

316L 粉在 0.2 Hz 與 0.6 Hz 之間的平均角度差最大。頻率升高時，流動形態從 0.2 Hz 的滾動變為 0.6 Hz 的瀑流。三個局部速度下角度平均值的標準差較大，為 49.4° ± 9°。錫的平均角度分散最小，為 44.8° ± 1.5°。因此錫粉的動態流動整體穩定性最好。DAOR 測量中，在全部試驗頻率下持續滾動證實了這一穩定性。鋁粉的流動隨頻率變化更大：低頻為滾動，然後逐漸進入 cataract 狀態。

AIFE 在三種常用儀器上測定：RST、PFT 與 FT4。圖中給出十種粉的 AIFE 以及 RST、PFT 與 FT4 的區間。除鋁以外，PFT 的絕對區間最小。這可能與評價軟體有關。在 FT4 上，有效 AIFE 角的變化最大。鋁的區間較寬，可能因為它是輕、軟、易塑性變形的金屬。對鈦而言，90% 的顆粒不大於 452 µm，有效角的明顯分散取決於顆粒尺寸和形狀。測量時，較大的鈦顆粒卡在玻璃圓筒與測量葉片（剪切頭）之間。間隙為 1 mm，但鈦顆粒的形狀增加葉片逆向運動的阻力，並提高剪切應力。

十種金屬粉的 AIFE

文章的目的是評價金屬粉的流動，以及它是否可能取決於混合物、顆粒和其他參數的力學與物理性質。所用的是基於已知散體分類的通用方法。即便相對數字化或工業 4.0，這些方法仍在使用。

來源：Characterization and flowability methods for metal powders

• Jiri Zegzulka, Daniel Gelnar, Lucie Jezerska, Rostislav Prokes & Jiri Rozbroj