增材制造技術是當今最有發展潛力的制造技術之一，它顛覆了傳統的加工理念，為未來的加工技術提供了廣闊的發展空間。金屬粉體是最常用的金屬增材制造原料，然而，相對于傳統的基于粉體的加工技術，金屬增材制造技術對金屬粉體的粒徑分布、純度、球形度等指標有特定的要求，用于熱噴涂、粉末冶金等工藝的金屬粉體不能直接用于金屬增材制造。因此，有必要對金屬粉體制備技術進行改進以滿足金屬增材制造的要求。

金屬熔體氣體霧化工藝（GA）是目前用于制備增材制造專用金屬粉體的主要工藝之一，具有成本低、適用范圍廣、細粉收得率高等優勢。然而，傳統氣體霧化制粉工藝所制備的金屬粉體中往往含有大量的衛星粉。

1

衛星粉的影響

所謂的衛星粉，即若干小顆粒粉體粘附在大顆粒粉體表面而形成的一種缺陷粉。衛星粉的存在會降低金屬粉體的松裝密度、球形度以及流動性，不利于粉末的鋪設過程，對金屬增材制造工藝（尤其是一些基于鋪粉技術的工藝）有著不可忽略的影響。

衛星化3D打印金屬粉體

在激光金屬沉積工藝（LMD）中，粉體通過送粉器的負載氣流被輸送到熔化區，粉體的流動性直接影響粉體的輸送效率，流動性差會造成打印層粉體稀薄，從而導致打印層之間形成裂紋和孔洞。

在電子束選區熔化成形工藝（EBSM）與選區激光熔化成形工藝（SLM）等基于粉床鋪粉技術中，粉體通過刮刀在粉床鋪展成層，粉體的流動性差會導致粉末沉積層中形成分散的空隙聚集區，也會導致打印件相對密度低、形成孔洞和裂紋等缺陷。

2

衛星粉的形成機制及控制

衛星粉形成過程中顆粒/熔滴的碰撞來源，包括宏觀尺度回流引起的粉塵回旋以及介觀尺度渦流引起的顆粒/液滴團簇，據研究，霧化室的封閉結構使其側壁附近產生宏觀尺度的渦流即回流，其中夾帶了一些完全凝固的小尺寸顆粒。回流區內回旋上升的小尺寸顆粒與上游霧化氣流中未完全凝固的大尺寸液滴之間的碰撞是衛星粉形成的主要原因之一。

因此，基于控制顆粒/熔滴碰撞來源與抑制顆粒/熔滴碰撞過程兩條途徑，建立多層次、多尺度的衛星粉控制機制，能夠有效地抑制衛星粉的形成。其中，采取氣體整流措施限制回流引起的粉塵回旋成了從宏觀尺度上控制衛星粉形成的有效手段。

3

衛星粉的表征

比利時的歐奇奧公司提出了贅生物指數的概念。贅生物指數是粉體表面粘連的顆粒數目的函數，隨著粘連的顆粒數目的增加而增大。根據粉體樣品的電鏡照片計算粉體的贅生物指數，采用粉體的贅生物指數來描述粉體的衛星化程度。

贅生物指數被定義為：以球形顆粒投影的平均直徑的105%的圓為標準(允許球形顆粒有5%的橢圓度偏差)，超出該直徑的像素投影區域則被認為是黏連的小顆粒。因此，該參數能定量給出分散的球體(用0表示)和黏連球體的各自比例，以及黏連球體附著微粒的數量比例，可直接用于3D打印金屬粉體的工藝評估和質量控制。優質的3D打印球形粉體贅生物指數為0的比例應該在80%以上，并且不應該出現贅生物高于指數20%的顆粒。

贅生物指數雖然可以有效地反映球體顆粒衛星化的程度，然而，采用贅生物指數衡量粉體的衛星化程度可能存在一定偏差，這是因為某些粘連在粉末表面的衛星粉可能位于觀測背面，統計時會被遺漏從而產生系統誤差。

參考來源：
【1】赫新宇等:氣體霧化制粉工藝中基于氣體整流的衛星粉控制技術，南方科技大學機械與能源工程系
【2】黎興剛等：面向金屬增材制造的氣體霧化制粉技術研究進展，南方科技大學前沿與交叉科學研究院
【3】侯維強等：增材制造用高溫合金粉末制備技術及研究進展，沈陽工業大學材料科學與工程學院
【4】劉文莉等：粒度粒形分析技術用于3D打印球形金屬粉末的球形度和衛星化測定——兼議GB/T 39251—2020，儀思奇(北京)科技發展有限公司

注：圖片非商業用途，存在侵權告知刪除！進粉體產業交流群請加中國粉體網編輯部微信：18553902686