【热点应用】Mastersizer3000干湿法分散测定金属粉末的PSD

金属增材制造产品现在在我们身边随处可见，从自行车框架、高尔夫球杆，到钟表和汽车的零部件。这些产品在表面处理工艺和功能性能方面均保持了高水准的质量。你可能想知道，是什么关键因素使这种质量能够保持稳定？这一切都从基础材料开始：金属粉末本身。

高致密性粉末冶金（P/M，用金属粉末制造金属部件的工艺）用于诸如增材制造等应用中，通常需要满足严格的技术规范要求¹。其中一个要求就是本文所讨论的金属粉末的粒度分布，它可以影响粉末的体积密度，流动性，可塑性，可压缩性和模具填充特性。

将不同尺寸的球体混合置于容器中，可直观模拟颗粒的堆积过程。如图1所示，当大球与小球的‌尺寸比例达到最优‌时，堆积密度实现最大化——此时大球间隙被小球有效填充。大颗粒过多会降低堆积密度，而小颗粒过多会由于粉末颗粒的凝聚而导致流动性降低，堆积不理想。

图1 粒径分布与堆积密度的关系³

在增材分层制造中，需在‌铺粉层厚一致性‌与‌粉末流动性‌之间进行权衡优化，因此通常优先选择‌窄粒径分布金属粉末颗粒堆积与流动性是粉末冶金应用（尤其是增材制造）的关键因素，因此需通过优化粒径分布实现大颗粒与小颗粒的理想比例‌。

当然，流动性和填料特性并不是唯一需要考虑的因素；颗粒大小也会影响压缩性，这对压制成型应用和注塑件的表面质量、尺寸精度都有影响。因此，了解粒度分布及其对金属粉末和最终零件性能的影响是确保粉末适用性和产品质量的关键。确保粉末在规定的限度内，以使生产的零件达到所需的质量也很重要²。

金属粉末粒径分布的验证可采用多种分析技术，其中激光衍射法因操作便捷、分析快速而被广泛采用‌。激光衍射系统如Mastersizer 3000系列 (MS3000 & MS3000+)，通过测量样品颗粒散射光信号强度实现粒度测量。较大的粒子散射光的角度较小，强度较高，而较小的粒子散射光的角度较大，强度较弱。衍射或散射的光被置于测量样品池周围的检测器捕获，其角度与入射激光束有关。这包括捕捉由较大粒子散射的光的焦平面检测器，以及捕捉由较小粒子散射光的大角度散射检测器，图2说明了这一点。

图2 Mastersizer 激光衍射测量原理示意图：通过优化排布的探测器阵列捕获分散颗粒散射光信号

MS3000+涵盖了非常广泛的动态范围，可以精确测量金属粉末粒度分布，如在整个粉末冶金应用范围内使用：从金属注射成型（MM）中使用的25微米到热等静压（HIP）中使用的1毫米。这种宽范围是由MS3000使用的两个独立光源实现的；633 nm的HeNe气体激光器可以有效地测量较大粒子的散射光，而470 nm的固态蓝色光源可以增强亚微米粒子的散射光强度。

由于激光衍射对颗粒的体积很敏感，MS3000+报告的体积加权粒度分布在揭示任何可能导致粉末样品不符合规格的少量超大颗粒或聚集体的存在方面非常有效。例如：在金属注射成型过程中使用的粉末要求粒径上限<38µm，如图3所示。

图 3.  气体雾化粉末的典型雾化颗粒粒度分布，包括各种先进粉末冶金制造技术所需的粒度分布⁴

要考虑的一个重要因素是何时以及是否应以湿法或干法的分散方式测量金属粉末样品。MS3000通过简单地更换测量单元和附件，可以直接应用这两种方法。

干法分散可实现在粉末/粉末工艺中使用的状态下测量粉末，并且由于可以在单个测量过程中测量大量粉末，因此可以对不同批次进行优越的采样。

通过调整气流压力，可以控制速度梯度和粒子间碰撞等分散作用力。使用气压滴定法用于找到增加压力不再影响被测颗粒尺寸的点，即达到初级颗粒尺寸的点。如果没有达到初级颗粒尺寸，则可更换高能文丘里管，它通过增加粒子与壁面的碰撞，以破碎紧密团聚的样品。

然而，某些金属粉末的物理特性（如脆性、易碎性）使其在干法分散中面临颗粒破碎风险‌，实际应用中需考虑在应用足够能量来完全分散与颗粒破碎的风险相平衡。此外，具有易燃性的金属粉末还会引发粉尘爆炸等安全隐患‌。

作为一种替代方法，金属粉末可以通过湿法分散测量。搅拌产生的分散力和必要时的超声可以用来去除团聚。实际上，与干法测量的压力滴定类似，方法开发遵循增加搅拌速度（和在需要的情况下，改变超声持续时间）的过程，直到粒径稳定。这表明初级颗粒的分散是稳定的。

颗粒表面的润湿降低了表面能和颗粒间的相互作用，同时也消除了任何燃烧的危险。虽然整个过程可能比干法测量慢，并且需要使用液体分散剂，但所需的样品量较少，并且在测量后还可以回收样品。此外，在许多情况下，将分散良好的湿法测量结果与干法测量结果进行比较，可以有力验证在干法分散中确实达到了初级颗粒粒径。

在粉末冶金与增材制造领域，工业级原料粉末的‌初级颗粒尺寸验证‌是测量工艺的关键输出指标。在本研究案例中，测量了用于不同粉末冶金工艺的四种不锈钢粉末样品在湿法分散和干法分散下的粒度分布，并对结果进行了比较。所需的PSD限值和每个样品的预期工艺应用列在表1中。

表 1: 不同PSD的不锈钢316L粉末样品¹

干法分散在1 bar的合适气压下进行测量；湿法测量搅速选择，对于金属注塑和热等压样品，使用2500 RPM的搅拌速度，对于增材制造和激光熔覆样品，使用3000 RPM的搅拌速度。

从图4中可以看出，样品的湿法分散和干法分散的PSD测量值非常接近，这表明在大多数情况下，材料的完全分散和初级粒度的识别都实现了。

图 4  四种316L不锈钢粉末样品的湿法(绿线)和干法(红线)粒度分布PSD测试结果对比，其中各曲线均为五次测量平均值‌

对于增材制造（Dv 50 = 42.3µm干法和38.2µm湿法）和热等静压（Dv 50 = 54.7µm干法和34.6µm湿法）的粉末样品，在湿法测量中PSD更细。在湿法测量的情况下，很可能是一些粗的，密度较大的物质在分散单元中沉淀，没有流经测量池。由于干法通常能捕获全部样品，如果PSD总体上相当宽并且材料特别致密，这可能导致干湿法结果的差异。对于同时含有大颗粒和细颗粒且<150µm 的粒级样品，干法和湿法测量之间存在差异的差异更明显，这表明在干法条件下，细颗粒可能会粘附在大颗粒上。如果是这种情况，那么可以施加更高的压力来增加干法状态下分散力的强度，将得到与分散良好的湿法测量更接近的结果。

参考文献：

1.     M. Tulley, S. Hall, U. M. Attia, J. Dawes, J. Ashby, and G. Thornton, Feasibility Assessment of Using In-Process Measurement Analysers for Metal Powders, Euro PM2019

2.     STM Standard B822 – 17 Standard Test Method for Particle Size Distribution of Metal Powders and Related Compounds by Light Scattering

3.     J.P. Bennett & J.D. Smith, Fundamentals of Refractory Technology (Ceramic Transaction Series), Volume 25, 2001 (American Chemical Society)

4.     J. DeNigris, Taking control of metal powder properties: Exploring the benefits of real-time particle sizing, Metal Powder Report, 2018, 73, 4, 202 - 207