《Scientific Reports》：十种金属粉末的表征及流动性测试方法：《ScientificReports》

原标题：《ScientificReports》：十种金属粉末的表征及流动性测试方法
编辑推荐：本文对十种金属粉末（316L ， Zn ， Sn ， Al ， Cu ， Mn ， Fe ，青铜， Ti ， Mo粉末）的特性进行了表征，包括这些金属粉末的粒度分布、形貌以及静态和动态的休止角（AOR）和有效内摩擦角（AIFE）。这些表征及评估都促进了对于块体材料的理解，揭示了块体材料的规律，对于金属粉末在各领域中的应用推广具有重要意义。随着添加技术在生产应用中的不断兴起，需要我们更加精确地根据金属粉末的特性来选择与之相匹配的特定机器设备，以确保能够在生产过程中保持高度的一致性。因此，对于金属粉末的表征得到了越来越多的重视。如何对金属粉末进行科学而准确地表征是一个亟待解决的问题。
近日，捷克斯特拉瓦技术大学的LucieJezerska（通讯作者）对十种金属粉末（金属粉末316L ， Zn ， Sn ， Al ， Cu ， Mn ， Fe ，青铜， Ti和Mo粉末）的粒度分布、形貌以及静态和动态的休止角（AOR）和有效内摩擦角（AIFE）等特性进行了表征。相关论文以题为“Characterizationandfowabilitymethodsformetalpowders”发表于ScientificReports上。
论文链接
https://www.nature.com/articles/s41598-020-77974-3#Abs1

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本研究中，对于金属粉末的有效内摩擦角（AIFE）参数和流量指数的测量和确定，采用了三种常用的旋转剪切装置：RST-01.pc计算机控制的环形剪切测试仪、布鲁克菲尔德PFT粉末流动性测试仪和FT4粉末流变仪。结果表明，不同设备所测得的数值并不完全相同。

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▲图1不同流动性等级的范围以及流动性分类

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▲图2十种金属粉末的粒度分布

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▲表1三种旋转剪切装置的AIFE数值及测量标准偏差

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▲图3FT4、RST、PFT所测得金属粉末AIFE数值比较

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▲表2三种旋转剪切装置的流动指数ffc
在大多数情况下， FT4所测得的ffc值最低，但Zn和Mo粉是例外。样品的ffc值可能与剪切面尺寸有关，剪切面尺寸最大的是RST（8482mm2），然后是PFT（4750mm2），最小的是FT4（1879mm2）。一般来说，块体材料通过更大的横截面时，能够更好地流动。

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▲图4三种旋转剪切装置的剪切室:左-RST ，中-PFT ，右-FT4
根据休止角（AOR）的测量结果，可以将样品分为两组：自由流动的（50%的样本）和流动性能合格的。 Sn粉末的休止角（AOR）最小，为30.2° ， Ti粉末的静态休止角（AOR）最大，为44.9° 。

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▲表3静态AOR及测量标准偏差（σsd）和各金属粉末的流动特性
对于AIFE较小且ffc值较高的金属粉末样品，其动态休止角（AOR）通常较小。并且在改变滚筒旋转频率的情况下，确定了流动稳定性的三种特征：1.随着滚筒旋转频率的增加，一部分样品的动态休止角呈现增加的趋势，这包含Zn、Mn和Mo粉以外的所有样品。 2.随着滚筒旋转频率的增加，一部分样品的动态休止角呈现下降的趋势，包含Mo粉和部分Mn粉。 3.在滚筒旋转频率发生改变时，部分样品的角度的变化非常小，如Zn粉，这是在ffc和AIFE方面流动性都较好的一种表现。

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▲图5前5种金属粉末的DAOR数值

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▲图6后5种金属粉末的DAOR数值
研究发现样品316L ， Zn ， Sn和Al粉末中以球形为主的单个颗粒对于流动特性具有基本性的影响，这也得到了AIFE测量结果的证实。

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▲图7被测金属粉末的FT4+RST+PFT的AIFE综合数值的比较，将材料分为了两组。
总的来说，通过研究获得的结果表明，就精准确定金属粉末的流动特性而言，单个样品需要采用单独的方法。本文所提出的所有评估都加深了对块体材料性能的了解。通过比较不同的金属粉末、测量设备及测量方法，可以逐步揭示块体材料的规律，并对将其应用于金属粉末的3D打印等领域具有十分重大的意义。