Навигация по таблицам
- Таблица размеров частиц по технологиям
- Таблица характеристик текучести
- Таблица параметров формы частиц
- Таблица материалов и их свойств
- Таблица стандартов и методов измерения
Таблица размеров частиц по технологиям аддитивного производства
| Технология | Размер частиц (мкм) | D10 (мкм) | D50 (мкм) | D90 (мкм) | Толщина слоя (мкм) |
|---|---|---|---|---|---|
| SLM/LPBF (Лазерное плавление) | 10-53 | 15-25 | 25-40 | 45-65 | 20-40 |
| EBM (Электронно-лучевое плавление) | 53-105 | 55-70 | 75-85 | 95-120 | 50-100 |
| Binder Jetting | 10-50 | 15-20 | 25-35 | 45-60 | 100-200 |
| DED (Прямое энергетическое осаждение) | 105-150 | 110-130 | 125-140 | 140-180 | 200-500 |
Таблица характеристик текучести порошков
| Материал | Hall Flow (с/50г) | Carr Index (%) | Hausner Ratio | Угол естественного откоса (°) | Оценка текучести |
|---|---|---|---|---|---|
| Ti6Al4V (Газовое распыление) | 18-25 | 12-18 | 1.14-1.22 | 25-30 | Хорошая |
| Ti6Al4V (Плазменное распыление) | 15-20 | 8-15 | 1.09-1.18 | 22-28 | Отличная |
| AlSi10Mg | 20-30 | 15-22 | 1.18-1.28 | 28-35 | Хорошая |
| Inconel 718 | 22-35 | 18-25 | 1.22-1.33 | 30-38 | Удовлетворительная |
| Нержавеющая сталь 316L | 25-40 | 20-28 | 1.25-1.38 | 32-40 | Удовлетворительная |
Таблица параметров формы частиц
| Параметр формы | Формула расчета | Оптимальное значение | Влияние на процесс |
|---|---|---|---|
| Сферичность | 4πA/P² | >0.95 | Текучесть, плотность упаковки |
| Округлость | Периметр окружности/Периметр частицы | >0.9 | Механическое сцепление |
| Соотношение сторон | Ширина/Длина | >0.8 | Ориентация при укладке |
| Выпуклость | Площадь выпуклой оболочки/Площадь частицы | >0.95 | Поверхностная шероховатость |
Таблица металлических материалов и их характеристик
| Материал | Плотность (г/см³) | Температура плавления (°C) | Насыпная плотность (г/см³) | Основные применения |
|---|---|---|---|---|
| Титан Ti6Al4V | 4.43 | 1604-1660 | 2.6-2.8 | Аэрокосмос, медицина |
| Алюминий AlSi10Mg | 2.67 | 555-635 | 1.4-1.6 | Автомобилестроение, аэрокосмос |
| Инконель 718 | 8.19 | 1260-1336 | 4.2-4.6 | Газотурбинные двигатели |
| Нержавеющая сталь 316L | 8.0 | 1375-1400 | 4.0-4.4 | Химическая промышленность |
| Марагинг сталь | 8.1 | 1413-1427 | 4.1-4.5 | Инструментальная оснастка |
Таблица стандартов и методов измерения
| Свойство | Стандарт | Метод измерения | Оборудование |
|---|---|---|---|
| Размер частиц | ISO 13320, ASTM B822 | Лазерная дифракция | Mastersizer, SYNC |
| Текучесть Hall Flow | ASTM B213, ISO 4490 | Воронка Холла | Hall Flowmeter |
| Насыпная плотность | ASTM B212, ISO 3923 | Свободная засыпка | Hall Flowmeter |
| Форма частиц | ISO 13322-2 | Динамический анализ изображений | CAMSIZER, Morphologi |
| Индекс Карра | ASTM D6393, USP 616 | Характеристики порошка | Powder Tester PT-X |
| Управление жизненным циклом | ISO/ASTM 52928:2024 | Контроль переработки порошков | Комплексное тестирование |
| Квалификация процессов | ISO/ASTM 52920:2023 | Промышленные АП процессы | Системы контроля качества |
| Характеризация порошков | ASTM F3571, ISO/ASTM 52907 | Контроль качества сырья | Многопараметрический анализ |
Оглавление статьи
1. Введение в аддитивное производство и роль порошков
Аддитивное производство (АП) представляет собой революционную технологию изготовления деталей путем послойного добавления материала, в отличие от традиционных субтрактивных методов. В основе большинства металлических технологий АП лежит использование металлических порошков как исходного сырья, что делает их характеристики критически важными для качества конечных изделий.
Современные технологии аддитивного производства металлов включают селективное лазерное плавление (SLM/LPBF), электронно-лучевое плавление (EBM), прямое энергетическое осаждение (DED) и связующее струйное формование (Binder Jetting). Каждая из этих технологий предъявляет специфические требования к характеристикам порошков, включая размер частиц, их форму, текучесть и химический состав.
2. Гранулометрический состав и фракции порошков
Распределение частиц по размерам (Particle Size Distribution, PSD) является одним из наиболее критичных параметров металлических порошков для аддитивного производства. Размер частиц определяет толщину формируемых слоев, качество их укладки и эффективность процесса плавления.
Оптимальные размеры для различных технологий
Для лазерных технологий (SLM/LPBF) оптимальный размер частиц составляет 15-53 мкм, что обусловлено небольшим диаметром лазерного пятна и необходимостью формирования тонких слоев толщиной 20-40 мкм. Электронно-лучевые технологии (EBM) используют более крупные частицы 53-105 мкм из-за большего диаметра электронного пучка и работы в условиях вакуума.
Расчет коэффициента размаха (Span)
Формула: Span = (D90 - D10) / D50
Где: D10, D50, D90 - размеры частиц, ниже которых находится соответственно 10%, 50% и 90% частиц по объему
Оптимальное значение: 1.2-1.8 для большинства применений АП
Пример расчета для Ti6Al4V
Для порошка титанового сплава с D10=20 мкм, D50=35 мкм, D90=55 мкм:
Span = (55-20)/35 = 1.0 - узкое распределение, оптимальное для высокоточных применений
3. Текучесть порошков и методы ее измерения
Текучесть порошка определяет его способность равномерно распределяться в рабочей камере принтера и формировать однородные слои. Плохая текучесть приводит к неравномерной укладке, образованию пустот и снижению качества печати.
Основные методы измерения текучести
Стандарт ASTM B213 определяет метод измерения текучести с помощью воронки Холла (Hall Flow), где измеряется время прохождения 50 граммов порошка через калиброванное отверстие. Значения от 10 до 40 секунд считаются приемлемыми для большинства применений АП.
Индекс Карра (Carr Index) рассчитывается по формуле: CI = ((ρтрам - ρнасып) / ρтрам) × 100%, где ρтрам и ρнасып - утрамбованная и насыпная плотности соответственно. Значения менее 15% указывают на отличную текучесть, 15-25% - хорошую, более 25% - плохую.
Критерии оценки текучести по различным методам
Hall Flow: <25 с - отличная, 25-40 с - хорошая, >40 с - удовлетворительная
Carr Index: <15% - отличная, 15-25% - хорошая, >25% - плохая
Hausner Ratio: <1.25 - хорошая, 1.25-1.4 - удовлетворительная, >1.4 - плохая
4. Форма частиц и сферичность
Форма частиц металлического порошка оказывает существенное влияние на его технологические свойства. Сферические частицы обеспечивают лучшую текучесть и более плотную упаковку по сравнению с частицами неправильной формы.
Параметры оценки формы частиц
Сферичность рассчитывается по формуле 4πA/P², где A - площадь проекции частицы, P - периметр. Для аддитивного производства требуется сферичность выше 0.95. Частицы газового распыления обычно имеют сферичность 0.92-0.98, что делает их предпочтительными для АП.
Соотношение сторон (аспектное отношение) определяется как отношение ширины к длине частицы. Оптимальное значение составляет более 0.8, что указывает на близкую к сферической форму.
Влияние формы на плотность упаковки
Сферические частицы Ti6Al4V обеспечивают насыпную плотность 2.6-2.8 г/см³, в то время как неправильные частицы того же материала показывают плотность только 2.2-2.4 г/см³, что снижает качество печати.
5. Взаимосвязь характеристик порошков
Характеристики металлических порошков тесно взаимосвязаны между собой. Уменьшение размера частиц обычно приводит к ухудшению текучести из-за увеличения межчастичных сил. Одновременно, более мелкие частицы обеспечивают лучшее качество поверхности и более высокую точность печати.
Оптимизация характеристик порошка
Практика показывает, что оптимальный баланс достигается при использовании бимодального распределения, где основная фракция составляет 70-80% от общего объема, а мелкие частицы (10-15% от D50 основной фракции) заполняют межчастичные пустоты.
Расчет плотности упаковки
Эффективность упаковки: η = (ρнасып / ρтеор) × 100%
Где ρтеор - теоретическая плотность материала
Для сферических частиц: максимальная плотность упаковки составляет 74% (ГЦК структура)
6. Контроль качества и стандарты
Контроль качества металлических порошков в 2025 году осуществляется согласно обновленным международным стандартам ISO и ASTM. Ключевым нововведением стал стандарт ISO/ASTM 52928:2024, принятый в мае 2024 года, который устанавливает требования к управлению жизненным циклом металлических порошков для аддитивного производства.
Современные системы аттестации порошков
Новый стандарт ISO/ASTM 52928:2024 дополняет существующий ISO/ASTM 52907:2019 и фокусируется на контроле как первичных, так и переработанных порошков. Стандарт покрывает свойства порошков, их жизненный цикл, методы испытаний и обеспечение качества. Это критически важно, поскольку современные производители все чаще используют переработанные порошки для снижения затрат.
Ведущие производители порошков теперь обязаны предоставлять расширенные сертификаты качества, включающие данные о количестве циклов переработки, изменении характеристик в процессе использования и прогнозируемом остаточном ресурсе порошка. Критически важным является контроль содержания кислорода, азота и углерода, которые накапливаются при повторном использовании.
Интеграция с системами Industry 4.0
Современные системы контроля качества интегрируются с цифровыми платформами Industry 4.0, обеспечивая непрерывный мониторинг характеристик порошков в режиме реального времени. Это включает автоматизированный контроль размера частиц методом лазерной дифракции, непрерывный мониторинг текучести и автоматическое определение момента, когда порошок требует замены или регенерации.
7. Перспективы развития технологий
Развитие технологий производства металлических порошков направлено на повышение их качества и снижение стоимости. Новые методы, такие как плазменное распыление во вращающемся электроде (PREP) и газовое распыление с близкосвязанным соплом, позволяют получать порошки с улучшенной сферичностью и более узким распределением по размерам.
Инновационные подходы
Перспективными направлениями являются разработка композитных порошков с функциональными добавками, создание градиентных материалов и порошков с контролируемой пористостью. Использование машинного обучения для прогнозирования свойств порошков и оптимизации процессов их производства становится важным трендом в отрасли.
Новые материалы
Разрабатываются порошки высокоэнтропийных сплавов, биосовместимых титановых сплавов с пониженным модулем упругости и коррозионностойких сталей с улучшенными характеристиками для морских применений.
