編輯推薦：本文對(duì)十種金屬粉末（316 L，Zn，Sn，Al，Cu，Mn，F(xiàn)e，青銅，Ti，Mo粉末）的特性進(jìn)行了表征，包括這些金屬粉末的粒度分布、形貌以及靜態(tài)和動(dòng)態(tài)的休止角（AOR）和有效內(nèi)摩擦角（AIFE）。這些表征及評(píng)估都促進(jìn)了對(duì)于塊體材料的理解，揭示了塊體材料的規(guī)律，對(duì)于金屬粉末在各領(lǐng)域中的應(yīng)用推廣具有重要意義。

隨著添加技術(shù)在生產(chǎn)應(yīng)用中的不斷興起，需要我們更加精確地根據(jù)金屬粉末的特性來(lái)選擇與之相匹配的特定機(jī)器設(shè)備，以確保能夠在生產(chǎn)過(guò)程中保持高度的一致性。因此，對(duì)于金屬粉末的表征得到了越來(lái)越多的重視。如何對(duì)金屬粉末進(jìn)行科學(xué)而準(zhǔn)確地表征是一個(gè)亟待解決的問(wèn)題。

近日，捷克斯特拉瓦技術(shù)大學(xué)的Lucie Jezerska（通訊作者）對(duì)十種金屬粉末（金屬粉末316 L，Zn，Sn，Al，Cu，Mn，F(xiàn)e，青銅，Ti和Mo粉末）的粒度分布、形貌以及靜態(tài)和動(dòng)態(tài)的休止角（AOR）和有效內(nèi)摩擦角（AIFE）等特性進(jìn)行了表征。相關(guān)論文以題為“Characterization and fowability methods for metal powders”發(fā)表于Scientific Reports上。

論文鏈接 https://www.nature.com/articles/s41598-020-77974-3#Abs1

本研究中，對(duì)于金屬粉末的有效內(nèi)摩擦角（AIFE）參數(shù)和流量指數(shù)的測(cè)量和確定，采用了三種常用的旋轉(zhuǎn)剪切裝置：RST-01.pc計(jì)算機(jī)控制的環(huán)形剪切測(cè)試儀、布魯克菲爾德PFT粉末流動(dòng)性測(cè)試儀和FT4粉末流變儀。結(jié)果表明，不同設(shè)備所測(cè)得的數(shù)值并不完全相同。

圖1 不同流動(dòng)性等級(jí)的范圍以及流動(dòng)性分類(lèi)

圖2 十種金屬粉末的粒度分布

表1 三種旋轉(zhuǎn)剪切裝置的AIFE數(shù)值及測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)偏差

圖3 FT4、RST、PFT所測(cè)得金屬粉末AIFE數(shù)值比較

表2 三種旋轉(zhuǎn)剪切裝置的流動(dòng)指數(shù)ffc

在大多數(shù)情況下，F(xiàn)T4所測(cè)得的ffc值最低，但Zn和Mo粉是例外。樣品的ffc值可能與剪切面尺寸有關(guān)，剪切面尺寸最大的是RST（8482 mm2），然后是PFT（4750 mm2），最小的是FT4（1879 mm2）。一般來(lái)說(shuō)，塊體材料通過(guò)更大的橫截面時(shí)，能夠更好地流動(dòng)。

圖4 三種旋轉(zhuǎn)剪切裝置的剪切室：左-RST，中-PFT，右-FT4

根據(jù)休止角（AOR）的測(cè)量結(jié)果，可以將樣品分為兩組：自由流動(dòng)的（50%的樣本）和流動(dòng)性能合格的。Sn粉末的休止角（AOR）最小，為30.2°，Ti粉末的靜態(tài)休止角（AOR）最大，為44.9°。

表3 靜態(tài)AOR及測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)偏差（σsd）和各金屬粉末的流動(dòng)特性

對(duì)于AIFE較小且ffc值較高的金屬粉末樣品，其動(dòng)態(tài)休止角（AOR）通常較小。并且在改變滾筒旋轉(zhuǎn)頻率的情況下，確定了流動(dòng)穩(wěn)定性的三種特征：1.隨著滾筒旋轉(zhuǎn)頻率的增加，一部分樣品的動(dòng)態(tài)休止角呈現(xiàn)增加的趨勢(shì)，這包含Zn、Mn和Mo粉以外的所有樣品。2.隨著滾筒旋轉(zhuǎn)頻率的增加，一部分樣品的動(dòng)態(tài)休止角呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)，包含Mo粉和部分Mn粉。3.在滾筒旋轉(zhuǎn)頻率發(fā)生改變時(shí)，部分樣品的角度的變化非常小，如Zn粉，這是在ffc和AIFE方面流動(dòng)性都較好的一種表現(xiàn)。

圖5 前5種金屬粉末的DAOR數(shù)值

圖6 后5種金屬粉末的DAOR數(shù)值研究發(fā)現(xiàn)樣品316 L，Zn，Sn和Al粉末中以球形為主的單個(gè)顆粒對(duì)于流動(dòng)特性具有基本性的影響，這也得到了AIFE測(cè)量結(jié)果的證實(shí)。

圖7 被測(cè)金屬粉末的FT4 + RST+ PFT的AIFE綜合數(shù)值的比較，將材料分為了兩組。

總的來(lái)說(shuō)，通過(guò)研究獲得的結(jié)果表明，就精準(zhǔn)確定金屬粉末的流動(dòng)特性而言，單個(gè)樣品需要采用單獨(dú)的方法。本文所提出的所有評(píng)估都加深了對(duì)塊體材料性能的了解。通過(guò)比較不同的金屬粉末、測(cè)量設(shè)備及測(cè)量方法，可以逐步揭示塊體材料的規(guī)律，并對(duì)將其應(yīng)用于金屬粉末的3D打印等領(lǐng)域具有十分重大的意義。