综述：粉末原料特性对SLM打印零件性能影响的研究（终篇）

5.粉末粒度对原料性能的影响

基于所涉及的各种粉末特性，形态和粒度被认为是可能影响次级粉末参数的主要因素，这些参数共同描述了原料行为。虽然研究强调了在SLM加工过程中利用高球形度粉末的明显优势，但在粗细颗粒的混合搭配方面却没有最佳的尺寸分布模型来量化原料质量。因此，以下章节将讨论粉末粒度对粉末性能的影响，并探讨粉末特性之间的相互关系。

5.1.表面积

氧化物污染对粉末颗粒度的影响可以根据各品级粉末中发现的颗粒大小和粗细颗粒组成的数量进行评估。换句话说，与高斯分布等级相比，多峰态或倾斜的粉末可能倾向于包含更高的细颗粒浓度，并表现出更大的净表面积。另外，假设大多数粉末颗粒是高度球形的，均匀分布的间隙膜包裹着这些颗粒，那么比表面（A/V）可以简单地使用球形公式得出："表面积，A = 4πr2 "和"体积，V = 4/ 3πr3"，其中半径r代表平均颗粒尺寸。从技术上讲，由于表面积的扩大，污染程度应该随着平均粉末尺寸的减小而增加[132]。这显示在图25中，在SLM中使用的不同金属粉末中，观察到比表面随着颗粒大小（D90）的减小而增加。在这种情况下，与较粗的等级相比，具有较高比表面值的细粉可能更快发生氧化。

图25.粉末尺寸（D90）与比表面[117]。

另一种用于测量粉末表面积的方法是Brunauer、Emmett和Teller（BET）分析，它通过吸附气体的位移确定颗粒表面的物理吸附量，从而评估粉末的总表面积[16]。在Simchi的研究中[133]，BET技术被用来比较用于直接金属激光烧结（DMLS）的不同平均粒径的GA和WA铁粉的表面积，如表2所示，可以看到在各品级粉末中包含最小颗粒的A粉（MPS=13.4μm）拥有最高的表面积（Sa=4202m2/g）。在GA粉末中发现氧含量相当高（O = 0.12%），鉴于其雾化性质，这是不寻常的。GA粉末中的氧化物含量可能是由于颗粒细化导致表面积的增加，从而导致更高的氧气夹杂。此外，在B粉中发现的最高的氧含量可能突出了由于WA和降低平均粒径导致的高氧化物夹杂物的复合影响。同时，以前的研究[71,133]强调，使用更细的颗粒后，表面积的扩大通过增加激光吸收而对零件的致密化特别有利。然而，粉末污染的风险也可能增加，从而导致加工问题（如球化），预计在合成高活性合金时将更加明显。粉末颗粒周围的氧化膜也表现出比母体金属高得多的熔点，如果没有更高的能量密度水平的帮助，很难将其分解。即使成功熔化，一些未溶解的氧化物化合物也会大幅提高激光吸收率[124]，增加熔池温度，可能会产生更大的梯度，进一步导致凝固部分积累更高的残余应力。然而，需要进行更多的研究来对AM原料进行表面积分析，以便在不同的尺寸分布模型和表面积数据之间建立一个结论性的关系，并与测量的氧含量相关，以量化对粉末污染的影响。

5.2.堆积密度

一般来说，尺寸分布较宽、含有足够数量的细颗粒粉末往往会表现出较高的堆积密度。在粉末冶金学中，粉末粒度分布被认为是对粉末材料的堆积行为影响最大的特性[134]。过去还开发了一些经验模型来研究相对于粒度分布的粉末堆积配置[135-138]。这些研究说明了用于优化两种主要粒度分布的粉末堆积密度的不同方法：（1）连续（高斯）和（2）非连续（多模式）。各项研究都有一个基本概念，即主要通过添加与松散颗粒网络中的孔隙相当的更细的颗粒来减少粗粉基体中的空隙来提高堆积效率。Andersen方程的重点是通过加入大量的细颗粒来填补较粗颗粒之间的随机空隙，从而改善高斯尺寸分布的粉末堆积密度[138]。然而，这种数值方法对于SLM粉末来说可能并不可行，因为必须使用10μm以下的颗粒，从而造成粉末处理问题。然而，事实证明，具有宽尺寸分布的粉末比窄尺寸分布的粉末表现出更好的堆积行为，其中包含的细颗粒扩大了尺寸分布宽度，预测的最佳堆积密度达到96%[139]。此外，扩大的尺寸分布也增加了其标准偏差，这表明减少了空隙尺寸，并降低了整体堆积孔隙率[140]。对于用于SLM加工的粉末，可以观察到类似的粒度对堆积密度的影响，Liu等人[85]报告说，与典型的高斯分布等级(10-45μm)相比，具有偏斜粒度分布和较高数量的细颗粒的粉末(如图26所示)也表现出较高的表观密度、粉床密度和振实密度，超过了4%。Engeli等人的研究[78]中报告的镍合金粉末的振实密度也随着尺寸分布跨度的增加而升高（参考图27）。然而，在具有可比跨度值的粉末中，密度值的差异不太明显，而在分布跨度≥1.5的粉末中可能观察到振实密度的饱和。

图26.LPW和SO粉末的粉末特性[85]。

图27.粉末分布跨度与攻丝密度[78]。

Furnas模型[136]是另一种用于提高粉末堆积密度的方法，通过添加离散直径的细小颗粒，有效地渗入粗粉基体中的已知空隙尺寸，产生具有二级或三级峰值的多模态尺寸分布。如理论上所示，在添加与颗粒间空隙大小相当的细小颗粒后，正方体排列的单体粉末的堆积密度可以从74%提高到84%（参见表3）[141]。第三种成分的添加也可以进一步消耗剩余的空隙，达到95.7%的更高的堆积密度[142]。虽然实际的粉末很难以理想的方式排列，但同样的堆积致密化技术可以通过具有狭窄尺寸分布的粗粉和细粉等级的组合来实现最佳的成分和尺寸比，表现出最大的堆积密度（参考图28）。粗颗粒和细颗粒之间的尺寸比通常也是根据基础粉末的现有空隙大小和形态来确定的，而要添加的细颗粒的数量则取决于各自粉末的表观密度。早前也有研究表明，有效的堆积密度改善是从粗细尺寸比为1:7时开始的，其中细颗粒能够通过粗粉基体的三角孔渗入[141]。在粗粉基体中加入30%的细粉，可达到的最大堆积密度为84%。后来[69]采用了双峰法来提高DMLS镍粉的堆积密度。据报道，使用10:1的尺寸比，添加30%的细颗粒后，粉末层密度从53%增加到>60%。Zhu等人[142]也报告说，当细颗粒的数量增加10%时，铜合金粉末的表观密度从76.9%提高到87.6%。Olakanmi等人[105]研究了Al粉末的多模态混合物，其中包含粗、中、细颗粒的三模态等级，其尺寸比为5:2:1，成分比为75:20:5 wt%，在加入细颗粒（10-14μm）后，其振实密度比双模态等级略有增加（3%～）。文献表明，添加细颗粒对改变粉末堆积密度有影响，这可能使高斯分布发生倾斜或产生多模态分布，这两种方法都会导致尺寸分布宽度的扩展。此外，多模态方法可以提供一个更直接的解决方案来改善堆积行为，因为与未知空隙的随机分布相比，空隙大小通常是预先确定的。然而，尽管现有的方法可以通过细小颗粒的加入来提高粉末的堆积密度，但要定义一个提供最佳堆积行为的标准尺寸分布是很有挑战性的，因为粉末的流动性也会同时受到影响，这将在下一小节讨论。

表3不同配比模式下的堆积排列和密度[142]

图28.粒度组成与包装密度的关系[143］

5.3.流动性

如前所述，细颗粒与粗粉的混合可以通过有效的尺寸混合和渗滤，为提高粉末堆积密度提供有益的效果。然而，另一方面，由于粉末内聚力和颗粒间作用力的增加，细颗粒的加入会给流动性带来一定的缺陷。包括范德瓦耳斯吸引力在内的颗粒粘附力通常对细小的颗粒来说更为固有，在那里很容易形成团聚，增加了颗粒间的摩擦力，从而导致流变性能不佳。如[133]所示，在平均粒径<<30μm的羰基铁粉等级中，团聚系数（φ=粉床密度/振实密度）小于1（φ≈0.80），表明存在团聚问题。如图29所示，粉末的流动性随着颗粒大小的减小而变得更加受限[54]。由此产生的团聚效应也可能不利于粉末的表观密度，因为细小的颗粒大多会相互粘连，形成不规则形状的粉末团，而不是填充粗大基体中的颗粒间空隙。

图29.粉末尺寸与表观密度（左）和霍尔流量（右）的关系[54]。

通过比较不同粉末粒度分布的流动行为，如图26所示，较宽的粒度分布等级会比较窄的等级出现流动退化，HR分别为1.22和1.16。虽然这两种粉末仍被认为是自由流动的，但较宽的粒度分布宽度可能导致流变性能下降，这反映在HR下降了～5%。在Engeli等人的工作中也发现了类似的观察结果[78]，粒度分布跨度较大的粉末会导致流动性降低。图30是该研究的翻版，显示粉末分布跨度≤1.5的粉末表现出良好的流动性（HR≤1.25），而跨度>1.5的粉末显示出流动阻力的迹象（HR≈1.26-1.32）。特别是，大多数分布跨度大于1.5的粉末（除D粉外）至少含有15%的小于10米的颗粒，这可能强调了由于细小颗粒的存在而导致的流动性降低。在Gu等人的另一项研究中[103]，与使用AOR方法测量的高斯等级（AOR=40.1◦和31.8◦）相比，含有较多细颗粒的双峰Ti6Al4V粉末表现出较高的流动阻力（AOR=55.2◦）。分布较宽的高斯粉末具有较大的标准偏差（SD = 10.18 μm），比较窄的等级（SD= 8.71 μm）表现得更有凝聚力，这可以重申分布宽度对流变行为的影响。尽管有一个中等的标准偏差（SD = 9.7 μm），但双峰级显示出最小的流动性，这可能进一步表明，与增加粉末跨度（高斯）相比，当含有过量的细颗粒（多峰级）时，对粉末流变学有更不利的影响。因此，细颗粒的添加应在实现最大堆积密度和流动性之间进行比例分配，以优化粉末性能。此外，还应该考虑导致流动恶化的其他因素，包括由于粒度细化导致的表面积扩大、不规则的颗粒形态和不良的表面条件（如水分、粗糙的氧化皮）。如果为了实现更好的零件精度而进一步减少加工层厚度，这对SLM工艺来说也是一个巨大的挑战，因为根据Karapatis等人的尺寸标准[69]，可能需要比(D10μ 10 μm)更细的颗粒来生成合适的粉末层密度。

图30.分布跨度与豪斯纳比率（重绘自[78]）。

5.4.热性能

相对于粉末的颗粒度，激光束下产生的堆积密度和局部颗粒排列将大大影响辐照源和沉积原料之间的热相互作用。换句话说，激光吸收的程度随着暴露在辐照光束区域下的颗粒数量而变化，当粉末堆积密度增加时，热吸收率会更高，这涉及到紧密堆积的颗粒群内更大的表面反射。Boley等人[124]使用射线追踪模型，观察到与平均粒径为27μm的高斯分布粉末相比，尺寸比为7:1、细颗粒含量为20%的双峰形粉末的平均激光吸收率更高（参考图31）。双峰配置中较高的细粉浓度增加了光束覆盖下的颗粒数量，这与颗粒表面被辐照的概率较高有关，从而增加了激光吸收。在一项单独的研究中，激光能量吸收的增加也可能是由于粉末平均粒径的细化，根据文献[133]，这使得暴露在辐照源下的粉末表面面积扩大。然而，由于实际粉末的任意分散行为构成了暴露在激光源下的局部颗粒堆积的变化，热吸收率值经常在沿粉床的不同点上波动。除了热吸收模式分析，OPD还可以帮助进一步了解粉末颗粒度对热相互作用的影响，其中可以评估从粉末表面反射并通过多重散射进一步传输到底层颗粒和/或基材的未吸收辐照能量的数量。早些时候，Fischer等人[29]观察到颗粒大小分别为<<20m和50-75μm的镍粉等级之间的OPD相差10倍（20μm vs200μm）。由于与OPD相关的光束渗透深度取决于堆积密度和尺寸分布，具有高堆积密度的粉末床通常允许较少的辐照光束渗透，然后与多孔结构相比，表现出较小的OPD，并增加热吸收率。Zhang等人[22]也报告说，与尺寸较粗的粉末(20μm<

图31.双峰型和高斯型粉末的热吸收率比较[124]。

粉末颗粒通常以点接触的方式排列在粉床上，而颗粒间的空隙通常被惰性大气介质填充，这些介质是热的不良导体。因此，在SLM过程中，粉末床能否有效地将热量从熔池中传导出去并通过周围的颗粒，主要取决于其尺寸分布影响下的堆积结构，而不是材料的体积导热性。在[144]中显示，较高的相对堆积密度会增加金属粉末的导热性（参考图32）。相应地，高配位数和增加的粉末颗粒接触也可以对应更大的热传导程度。Gusarov等人[145]证明了这一点，与其他晶体结构（BCC、SC和Diamond）相比，具有最密集堆积结构（FCC）和最高配位数（N = 12）的单尺寸球体获得最高的热传导率。Zhou等人[146]也模拟了颗粒堆积模型，他们报告说，双模式粉末配置表现出两个不同的配位数，分别对应于粗粉和细粉的单个粒子接触。Zhou等人[146]也模拟了粒子堆积模型，他们报告说，双模式粉末配置表现出两个不同的配位数，分别对应于粗粉和细粉的单个粒子接触（见图33）。双模态混合物由配位数较低的细颗粒（N = 4）和较粗的颗粒（N = 8）组成，而单一尺寸的粉末只显示出单一配位数（N = 6）。尽管在多模态粉末中观察到颗粒接触的这种不连续趋势，但正如Gu等人所报告的那样，双模态Ti6Al4V粉末的热导率仍然比高斯粉末等级高出40%[103]。关于早期的研究，双模态粉末中包含的细小颗粒可以提供更好的堆积性能，但由于堆积密度的增加或更高的配位数/颗粒接触，其对改善热导率的有效性仍不清楚，需要对具有不同颗粒度数据的粉末等级进行更详细的热导率测量。这样的热导率值将有助于未来的激光粉床数值模拟和传热模型，以实现更好的粉末到零件的质量预测。

图32.相对粉末密度与导热率的关系[144]。

图33.颗粒分布与配位数[146]。

6.粉末颗粒度对零件性能的影响

粉末颗粒度对各种零件特性的潜在影响，包括密度、机械性能、微观结构和表面质量，将在以下章节中讨论。

6.1.零件密度

零件密度是一个主要的质量指标，它决定了通过增材手段（包括SLM）制造的部件的可用性。除了需要多孔材料的应用外，SLM部件最好能达到较高的部件密度(>95%)，因为残留的孔隙往往会导致机械性能和整体部件性能的下降[147]。多孔性缺陷通常在SLM部件中被发现，因为与粉末有关的故障和不合适的加工参数导致了收缩、球化和汽化效应[9]。此外，次级粉末的特性，如化学成分中的高氧化物含量和不良的堆积密度，会对零件的致密化造成不利影响。然而，文献中较少讨论粉末颗粒度对最终零件密度的主要影响，但可以提出与尺寸分布有关的零件致密化的潜在影响。

Spierings等人[58]报告说，具有不同尺寸属性的316L粉末产生的零件密度与所使用的工艺窗口密切相关。在所有的能量密度水平和使用的层厚(30μm和45μm)中，具有最细粒径的高斯级(D90=30.8μm)获得最佳的零件密度。在最粗的负偏斜粉末(D90 = 59.7μm)中存在的细小颗粒(μ10-15μm)也比中间大小的高斯级(D90=41.3μm)在30μm的层厚和35-60J/mm3的低能量密度范围内产生更好的部件密度。然而，层厚增加到45μm时，显示出更细的粉末产生了更致密的部件。因为与更粗的偏斜等级相比，实现了更完整的熔化。因此，根据整体的粉末尺寸，偏斜粉末中较高浓度的细颗粒在30米层促进了更明显的熔化，而后来在45μm层厚（有效层厚=74μm）发生优先熔化的情况下，这种影响就会减弱。从本质上讲，使用细粒度的粉末可以通过实现颗粒的完全熔化，比粗粒度的粉末提供更好的部件致密化。Liu等人[85]比较了具有不同分布宽度的316L牌号，并报告了在扫描速度>150毫米/秒时，分布较宽的粉末（SO）具有更好的零件致密化结果，而较窄的牌号（LPW）在较慢的扫描速度（100毫米/秒）下表现更好（参见图34）。这可能表明，在低速和高能量密度条件下，较细的颗粒有较高的汽化趋势，这很可能在凝固时启动匙孔熔化并诱发孔隙。此外，粗粉等级可能随着能量密度的增加而受到较小的影响，因为较大的颗粒需要更长的时间来实现完全熔化，这就降低了材料汽化的概率。当扫描速度提高到150毫米/秒及以上时，SO粉产生的零件密度比LPW高，这可能表明细颗粒在促进快速熔化而不发生汽化方面的有益作用。Gu等人[103]比较了高斯和多模态Ti6Al4V等级之间的零件致密化效果，发现高斯Ti6Al4V粉末的孔隙率比双模态等级高。据称，双峰级的热导率较高，可产生更宽的熔池，允许更多的熔体重叠，从而防止相邻轨道之间形成孔隙。此外，根据文献[105]，多模态粉末的更有效的粉末堆积行为可能有助于提高零件的致密性。根据这些研究，与较粗的粉末相比，使用细粒度的粉末通常需要较低的能量密度来实现颗粒的完全熔化。此外，细颗粒的加入有助于提高与粉末堆积密度相关的部分致密化，但需要与工艺参数相辅相成，以达到最佳效果。同时，还需要进一步的研究来验证粉末汽化发生前允许的细颗粒的大小和组成，这可能与粉末的堆积密度以及热吸收率有关系。

图34.不同扫描速度下的商用316L粉末的部分密度[85]。

6.2.机械性能

采用金属增材制造的一个关键举措是，与传统的机械加工或铸造方法相比，AM可以生产出性能优越的结构部件。因此，除了设计灵活性和材料效率方面的优势外，金属增材制造部件的机械性能预计将等同于甚至超过传统技术制造的部件。从本质上讲，SLM部件通常具有较高的抗拉强度和较好的硬度，但与锻造产品相比，其延展性较低，疲劳性能下降[148-150]。在SLM零件中也存在各向异性的行为，零件的机械性能取决于构建方向、扫描策略以及零件布局[151-153]。工艺变量对机械性能的影响，包括激光功率、扫描速度、层厚和舱口间距，也在文献中得到了广泛的研究和充分的记录[154-156]。关于粉末特性，已知材料成分中的氧化物和其他非金属夹杂物会在熔池边界发生偏析，从而凝固为晶界并影响机械性能[152]。然而，粉末粒度对机械性能的影响还没有得到很好的理解，可能会产生与零件孔隙率有关的潜在影响。

Spierings等人[79]报告说，与较细的粉末等级相比，较粗的颗粒度粉末可能会导致制造的零件中出现较大的空隙尺寸。尽管表现出负偏斜的特征（存在细颗粒），但最粗的粉末等级生产的零件的机械强度相对较低，其中可能没有足够的细颗粒来有效填充粗粉基体中的大空隙。扩大的孔隙在拉伸载荷期间可能成为裂纹的引发者，导致生产的零件的极限拉伸强度（UTS）降低。另一方面，用细颗粒法生产的零件显示出较低的延展性，这可能是由于在较大的表面积下有较高的激光吸收，延长了过冷度，导致更细的微观结构和更高的抗拉强度。在另一项工作中，Liu等人[85]使用了两种不同的316L牌号，其平均尺寸相当，与较窄的牌号相比，较宽尺寸分布的粉末（负偏斜）产生的零件强度较低，伸长率较高。与Spierings等人[79]不同的是，细小颗粒的存在可能引起了更快的熔化，延长了熔池寿命，产生了更粗的晶粒结构，降低了机械强度。同时，正如Gu等人[103]所报告的那样，用双峰Ti64V粉末生产的零件显示出比高斯牌号稍高的超强度和较低的屈服强度。由于报告相互矛盾，需要进行更多的实验验证研究和微观结构评估，以量化粉末粒度对机械性能的影响程度，特别是对要使用的细颗粒的尺寸和组成的影响。

6.3.微观结构

由于快速的加热和冷冻循环，通过SLM工艺制造的金属部件往往在晶粒尺寸、生长形态和相的形成方面显示出与传统铸造技术不同的微观特征[157]。与传统的凝固方法相比，极端的冷却速率（103至108K/s）通常会产生相对更细的晶粒（<<1μm），也可能允许偏离平衡条件的可转移相的成核。凝固晶粒的生长模式在很大程度上取决于熔池的热梯度，平面凝固通常发生在熔池和基体的界面上，然后演变成蜂窝状和树枝状结构。在狭窄的凝固窗口下，扩散过程通常受到限制，很少发生第二相沉淀或结构偏析，同时通常会获得精细的初级和次级晶粒特征，为SLM部件提供显著的机械强度[13]。SLM部件中的晶粒尺寸也可以通过修改工艺设置来控制，更快的扫描速度和更低的结果能量密度被证明可以产生更精细的微结构[28,45]。据说扫描速度的增加在熔池中提供了更大程度的过冷，这导致了更快的凝固速度和晶粒生长的抑制。

在原料对零件微观结构的影响方面，据报道，原始粉末的化学成分会影响微观成分相的形成[3,82]。Starr等人[82]表明，使用通过氮气雾化生产的17-4 pH SS粉末制造的零件主要包含奥氏体结构(>96%)，而氩气雾化粉末则实现了更多的马氏体结构(～76%)，即使两种粉末都是在相同的SLM环境下加工。起始粉末中较高的残余氮含量被认为是为了使奥氏体得以保留，并稳定了FCC相，而不是转变为马氏体结构。另一方面，Simchi[133]报告说，增加氧气浓度会减少铁零件的晶粒尺寸。由于氧化膜的存在，它可能增加了激光的吸收量，并诱发了更陡峭的热梯度，从而产生了更大过冷度，以便更快速地发生凝固。由于工艺冷却率与激光和粉末之间的热相互作用有很强的亲和力，相对于其堆积密度的热特性以及粉末颗粒度也会对零件的微观结构产生一些影响。Averyanova等人[158]比较了由两种具有不同粉末尺寸（D90<<16 μm和D90<< 25 μm）的GA高斯粉末生产的pH17-4零件的微观结构，与较粗的等级（6%）相比，较细的粉末产生的马氏体相浓度更高（38%）。Olakanmi等人的另一项研究[105]报告说，在其他双峰混合体中，表现出最高振实密度的双峰Al-Si粉末也实现了最精细的树枝状特征。这两项研究都表明，细小的颗粒可能允许更高的热传导离开熔池，并且与更细的微观结构结果相关的淬火能力更快。然而，在三模态铝硅混合物中发现的更精细的颗粒尺寸(<<14μm)，与双模态粉末(<<30μm)相比，可能会导致熔池寿命延长，从而促进晶粒生长。然而，还需要进一步的调查，因为其他的粉末变化研究显示了微观结构变化的有限证据，包括[103]，他报告了双峰和高斯Ti6Al4V粉末中相似的晶粒生长和组成相。Ardila等人[65]也观察到新的和回收的IN718粉末批次中具有树枝状结构的柱状晶粒的可比性生长行为，尽管在颗粒度上存在差异。通过比较上述研究中使用的材料类型[65,103,105]，与其他材料（Ti和Ni合金）相比，影响微观结构的冷却速率的细微变化在更多的导热材料（Al合金）中可能更容易观察到。总的来说，颗粒度对微观结构变化的主要影响仍然是有限的，没有直接的关联，尽管粉末热性能和所产生的微观结构尺寸之间的可能联系可以在SLM过程中影响传热率的粉末尺寸分布和堆积密度的变化方面实现。

6.4.表面质量

表面粗糙度是一个重要的指标，它决定了AM部件的制造质量，特别是对于需要优秀的表面质量（Ra =0.8 μm）以防止过早的疲劳故障的循环应用[159]。虽然SLM部件的平均表面粗糙度（Ra= 8.75 μm）[4]通常优于其他金属AM技术，但要达到机器加工的表面质量而不需要额外的操作，如抛光、喷丸或研磨，仍然是一个基本挑战。在生产中，激光表面重熔（LSR）技术被用来通过熔池的重新分布来细化外围层的粗糙轮廓，以均匀地填充空隙并改善表面质量（Ra=1.5μm）[109]。然而，重新熔化的策略仍然是一个昂贵和耗时的程序，因为每一层都必须重新扫描，以产生高度密集和表面增强的零件。由于逐层形成的性质，大多数AM建造的结构也表现出阶梯状的外观，这与所生产的部件的轮廓相近，特别是对于从基体上以低倾斜角度（5-15◦）建造的特征。同时，更陡峭的剖面（>20◦）使阶梯状间隔之间的间隙最小化，但通过增加驻留在斜边的部分熔化颗粒的数量而导致表面粗糙度[160]。此外，顶面粗糙度（垂直于建造方向）主要是由熔池的波纹运动造成的，而侧面粗糙度（平行于建造方向）可能是在马兰戈尼对流和表面张力效应下，熔体被吸引到层边的结果[161]。因此，凝固的熔池的几何特征将在决定零件堆积过程中每个成品层的表面粗糙度方面发挥重要作用。事实上，最常见的表面缺陷也被称为球化现象，是在高扫描速度下熔池破裂的结果，它产生了不连续的表面，阻碍了涂覆装置的运动，并通过非均匀的粉末沉积引发了孔隙[13,40]。在熔池驻留运动后的侧面粗糙度上，由于起球而导致的表面质量下降也更为普遍。另一方面，由低扫描速度和/或高激光功率产生的大熔池也会在凝固时产生粗糙的熔层表面并诱发球化[162]。因此，应该使用足够的激光能量输入，使熔池在反冲压力下变平，获得更平滑的表面[29,161]。减少层厚也有助于通过减少阶梯宽度来减少阶梯效应，但由于需要形成更多的层数，通常需要更长的建造时间[160,163,164]。较窄的舱口距离也能改善零件的表面粗糙度，有利于相邻轨道之间的熔体重叠[26,162]。这些影响大多与SLM过程中使用的能量密度有关，研究人员已经开发了各种物理和数值模型来预测表面质量[160,165,166]。

关于粉末特性，零件的表面质量直接受到粉末颗粒度的影响，使用较细的颗粒可以最大限度地减少阶梯效应，因为需要较小的层厚度[79,167]。相应地，使用精细的粉末尺寸和层厚可以使SLM在表面质量和零件分辨率方面优于其他金属AM系统[9]。如Spierings等人[79]所示，细粒度的粉末也会被更大幅度地熔化，并比粗粒度的粉末产生更好的表面质量。此外，与较窄的等级(10-45μm)相比，分布较广的粉末(0-45μm)产生的零件具有更好的侧表面粗糙度[85]。Lee和Zhang[100]通过数值模拟也提出，与类似粒度范围的负倾斜等级相比，具有较高细颗粒成分的正倾斜粉末产生了更平滑的熔池表面。然而，由于热积聚效应，细粉在建造具有倾斜度（～45◦）的尖锐边缘时可能会带来不利因素，产生更粗糙的表面[167]。根据所报道的研究，SLM零件的表面质量似乎主要受粉末颗粒度的影响，即层厚和粉末堆积密度。细粒度的粉末通常需要较小的层厚，这可以减少阶梯效应以及表面粗糙度。另一方面，加入细小的颗粒，同时增加粉末堆积密度，也会产生稳定和连续的熔池，产生更平滑的轮廓和零件表面。

7.总结

粉末粒度对SLM工艺中的原料和零件性能的影响已经在这项工作中得到审查，并分别在表4和表5中进行了总结。在PBF技术中使用的粉末材料往往由于工艺干扰（机械、热等）而在尺寸分布上发生变化，这将延伸到其他粉末特性上，并影响最终的零件质量。因此，重要的是要调查由于粒度变化而产生的各种加工影响，并为原料制造、优化、表征、鉴定以及专门为SLM工艺的选择建立进一步的依据。在粉末特性中，形态和粒度属性主要是交织在一起的，可以决定原料的其他物理和化学行为。堆积密度和流动性构成了SLM加工前原料鉴定的基础，并直接受到颗粒度变化的影响，这就要求高度重视对各自参数的优化。

较高的粉末堆积密度通常出现在具有偏斜特征的较宽的高斯分布等级和多模态粉末分布中，其中小比例的细颗粒被有意加入，以便在适当的尺寸和成分比例下通过粗粉之间的堆积空隙渗入。相比之下，多模态粉末(≥10%)比偏斜高斯等级(<<5%)有更明显的粉末堆积密度改善。相应地，粉末堆积行为的增强可以增加颗粒在激光照射下的存在感，这在固结过程中提高了热吸收率，两者都对应于更高的部件致密化。此外，改进堆积还可以提高粉床的导热性，涉及到更多的颗粒接触，以增强热传导。然而，过量(>>15%)添加的细颗粒(<<10μm)会降低粉末的流动性，影响沉积过程中涂覆装置的性能，导致可能的偏析或结块。根据粉末堆积密度和流动性之间的反比关系，与高斯粉末相比，多模态粉末也更容易遇到流动性问题。

就整体颗粒的大小而言，细粒度的粉末在激光照射过程中通常会暴露出更大的表面积，这有利于完全熔化以生产出致密的部件。然而，与较粗的粉末相比，可能会增加粉末污染的风险。同时，粗粒径会带来较大的空隙，成为生产部件中的裂纹起始点，降低机械强度。细颗粒的激光吸收率相对较高，也会增加过冷度，从而提高凝固速度，产生更精细的微观结构特征。这也可以解释在较细的粉末等级中观察到的较低的伸长率。因此，较陡的热梯度可以产生更大比例的可转移相，但可能会导致更高的诱发残余应力。颗粒度对表面质量的影响也很明显，较细的粉末可以产生更光滑的零件表面，因为需要较小的加工层厚度。为了进一步评估颗粒度对零件性能的影响，有必要得出适当的工艺参数，以符合不同颗粒度特性的粉末。

7.1.目前的最佳做法和挑战

基于对SLM和DMLS加工中使用的原料的分析，目前为确保良好的加工性能而设计的基本粉末要求有以下条件。

（1) 原料的D90应小于所使用的加工层厚度（D90 <

（2) 所使用的原料应具有均匀的球形度和尽可能高的表观密度，同时保持良好的流动行为，以促进致密化，同时尽量减少结块效应；

（3) 金属原料应含有非常低水平的间隙污染物，如氧气和氢气，因为它们对破坏的SLM加工有不利影响

目前的工业SLM应用仍然主要利用高斯粉，这可能是由于在原料混合和混合过程中涉及繁琐的前提准备，以产生偏斜或多模态的原料。此外，没有足够的研究对受颗粒度变化（高斯、正/负偏斜、双峰、三峰等）影响的AM原料的性能进行评估，以明确研究粉末行为（密度、流动等）和对成品部件的影响。粉末堆积密度和流动性之间的反比关系也使整合细粉的决定进一步复杂化，这要求进行广泛的实验，以确定适合SLM的粗细颗粒的适当尺寸和组成比例的粉末配方。目前用于表征AM粉末的流量和密度标准也大多来自于为传统PM设计的现有测试标准，这些标准可能无法直接转用于涉及快速熔化和再固化机制的激光加工技术。与传统烧结中的热颗粒扩散研究相比，SLM加工的重点应放在具有不同颗粒度的粉末的热历史上，这可能会产生各种熔池结构（体积、几何形状、形态、润湿行为、表面张力等），并在考虑马兰戈尼对流和熔体表面的蒸汽压力的情况下影响形成的层。到目前为止，在粒径影响下的SLM加工过程中，熔体的形成仍然没有得到很好的理解，也很难定性，但被认为涉及各种原料参数的综合影响，包括堆积密度、流动性、表面积和与其尺寸分布相关的热吸收率。

8.展望

与金属AM原料特性研究有关的广泛研究工作，不仅限于粒度测量，仍然需要加强对材料-工艺变化的理解，以提高SLM制造的可重复性和可靠性：

（1）将合适的粉末粒度分布范围映射到工艺窗口，为不同材料提供最佳的粉末行为和零件质量

（2）对粉末表面积进行量化研究，以了解污染（如氧含量）和辐照（如热吸收率）的影响。

（3）改进现有的表征技术，建立专门针对金属AM粉末的标准，以鉴定由形态、颗粒度、表面化学、堆积密度、流动性和热性能控制的原料质量

（4）设计原位计量方法，以确定加工室中的原料行为（如粉末床扫描和动态图像）。

（5）进一步研究粉末特性的变化对机械性能和微观结构的影响，以及相关的缺陷（包括孔隙率、变形和表面质量）成因，这些因素会导致部件构建失败。