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工业产品开发的一个重要部分是原型和初始样品的制造，无论产品是飞机的复杂部件还是简单的螺丝。在生产环境中制造通常相当小的单个零件通常是一个成本高昂的过程。在过去几年中，基于这种成本效益计算，粉末冶金的一个特殊应用领域——添加剂制造业得到了发展。
加法制造(AM)指“为了从三维模型数据生成对象而连接材质的过程。”亚博网站下载1.AM利用各种金属合金粉末或金属粉末层层生成物体。制造工艺的规范基于用户的可能性和要求，以及待生产对象的尺寸和类型．
近年来，业内形成了几种不同的方法，如:
表1。加法制造方法1.．
| 快速原型 |
快速制造 |
激光熔化 |
| 选择性激光熔化 |
选择性激光烧结 |
直接金属激光烧结 |
| 电子束熔化 |
粉末床的融合 |
自由形状制造 |
| 固体成形技术 |
激光金属沉积 |
激光熔覆 |
| 直接能量沉积 |
直接金属沉积 |
|
大多数AM方法都基于相同的程序。激光束局部融化上层的粉末层，粉末层凝固并产生一层固体材料。这是一层一层地重复，直到最终的对象产生。未使用粉末的质量是通过粒度分析(筛分)确定的，在某些情况下还通过元素分析确定，然后再返回生产过程。
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图1。通过激光金属沉积进行添加剂制造。1.
质量控制过程
添加剂制造目前正在成为一种成熟的生产技术。然而，由于它仍然是新的，所需的工艺步骤尚未统一定义。例如，没有描述质量控制过程的行业标准。AM所用粉末的粒度分布是一个确定的参数。然而，粒度不应是质量控制所采用的唯一特征。2.
添加剂制造目前正在成为一种成熟的生产技术。然而，由于它仍然是新的，所需的工艺步骤尚未统一定义。例如，没有描述质量控制过程的行业标准。AM所用粉末的粒度分布是一个确定的参数。然而，粒度不应是质量控制所采用的唯一特征。2.
对材料性能有影响的元素
钢
有许多因素会影响钢的性能，其中碳排在首位。根据这些合金元素(C、Si、P、S、Mn、Cr等)的类型和浓度，钢被划分为不同的质量等级和应用领域。下面将介绍极其重要的非金属元素及其作用。
碳[C]:含碳量影响钢的不同物理参数。这种铁合金由0.0002%至2.06%的碳组成。碳含量的增加导致熔点降低。硬度和脆性随含碳量的增加而增加。
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图2。铁碳相图。
硫[S] ：如果合金中含有硫，这会增加钢的可加工性，即材料适合通过铣削或钻孔等方法进行处理。硫含量越高，延展性越低。
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氮[N]：氮含量可分为不期望的和期望的内容。也有一些特殊的应用，其允许高的氮浓度。在这种情况下，它的化学形式必须考虑。氮元素形式沿晶界本地化和影响钢的延展性的一个主要方式。这势必其他元素中的氮含量一般不认为是重要的。
氧气[O]:氧是所谓的钢铁寄生虫，因为它使钢铁变脆，造成老化脆性。
氢[H]:钢中的氢会使机械稳定性下降。人们普遍担心氢脆会造成重大的经济和技术损失。这意味着质子将自己固定在金属基体上，这可能会在钢中产生裂纹。
钛
氢[H]:对钛和钢有相同的影响。氢会影响钛合金中混合相的形成。
氮[N]:氮增加钛的脆性。
氧气[O]:即使是最少量的氧对钛的硬度或韧性也有显著的影响。《规格书》表明，即使是氧含量的微小差异，也可以确定低质量钛(3级:0.35%)和高质量钛(1级:0.18% O)之间的差异。氧气显著改变了钛的物理力学性能。氧浓度为0.1%的钛的稳定性大约是0.3%的三倍。
硫[S] /碳[C] ：这些元素对钛的影响很小。
所述元素浓度的测定应在增材制造过程之前和之后进行，以保证原材料和最终产品都具有所需的质量。亚博网站下载
分析方法
有不同的方法测量元素浓度和杂质，其中大多数需要破坏样品。这样做是为了保证分析样品的所有相关成分都被正确释放。
燃烧分析提供了许多好处。可以测量固体形式的样品，这意味着无需事先处理即可直接测量。燃烧分析所需的平均粒径金属粉末用于增材制造工艺，位于5µm到150µm之间。这是由粒度分析决定的，例如动态图像分析。如果粉末具有合适的粒度分布，就可以通过燃烧分析检测元素浓度。
H/C/N/O/S的测量不能在一次分析中进行。氮、氧和氢是一步分析，碳和硫是另一步分析。
这是由于应用了不同的方法:
O/N/H分析
试样落入石墨坩埚中，由于温度过高而熔化。因此，氮、氧和氢被释放出来。氧在热坩埚表面转变为一氧化碳。坩埚中的气体被惰性载气除去。
氧化铜催化剂将CO转化为CO2.这是在红外细胞中检测到的。具有特定波长的红外线用于激发二氧化碳分子。能量损失转化为动能，用于确定样品的确切氧浓度。氢和氮含量在导热池中测量。
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图3。红外线电池。
所述ELEMENTRAC导热性细胞基于其被附连到膜和独立地进行操作的参考气流的微机械硅芯片上。如果气体的变化的热导率，例如，如果氮从样品排出时，需要用于加热所述膜也发生变化的加热能力。这是通过测量信号指定。该方法是敏感的和健壮的，并确保在宽的浓度范围内是稳定的测量结果。
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图4。热导池。
表2。不同的热导率。
|
M
(克/摩尔) |
密度
[kg/m3.] |
热系数
电导率(W /千瓦)［1］ |
| 氢氢2. |
2.02 |
0.08987 |
1.869 |
| 氦氦 |
4.00 |
0.17839 |
1.567 |
| 氮(N)2. |
28.01 |
1.2505 |
0.260 |
| 氩氩 |
39.94 |
1.7839 |
0.179 |
|
［1］儿童权利委员会化学和物理手册，1995-1996,76th版
表3显示了钢样品同时进行氧和氮分析的典型结果。即使浓度很低，再现性也明显低于1 ppm。
表3。Eltra 91100-1001#714A的测量。
| 重量(毫克) |
氧气(ppm) |
氮[ppm的] |
| 994.9 |
6.1 |
18.8 |
| 999.0 |
5．1 |
18 |
| 1000.2 |
5．7 |
17.8 |
| 997.6 |
6.3 |
18.4 |
| 1000.4 |
6.9 |
18.6 |
| 997.4 |
5．9 |
17.8 |
| 997.5 |
7.1 |
19.4 |
| 994.7 |
5．6 |
18.4 |
| 996.9 |
5．6 |
19.4 |
| 998.1 |
5．8 |
18.4 |
| 平均值 |
6 |
18.5 |
| 偏差/相对偏差 |
±0.6 / 10.3％ |
±0.6% / 3.1% |
C / S分析
在感应炉中，样品在纯氧气氛中熔化，使硫与二氧化硫(SO)发生反应2.)和碳与二氧化碳(CO .)的混合物发生反应2.)和一氧化碳(CO)。
燃烧的气体通过粉尘过滤器和吸湿器进行净化。下一步，在红外电池中识别二氧化硫。在ELTRA的CS-800中，可以根据用户的要求适应不同灵敏度(高/低)的红外电池。两者的氧化，一氧化碳氧化为二氧化碳和二氧化硫氧化为三氧化二硫遵循硫的测量。用纤维素棉去除SO3气体;碳含量由红外电池识别，允许个人定制。ELTRA分析仪可配备多达四个独立的红外电池。
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图5。碳/硫分析过程。
样品在坩埚中称重，然后用钨覆盖以进行分析。表4显示了钢样品的典型结果。
表4。测量AR 875 #51256。
| 重量(毫克) |
碳[%] |
硫(ppm) |
| 1002.8 |
0.8627 |
100.11 |
| 1001.5 |
0.8655 |
100.60 |
| 998.9 |
0.8662 |
104.47 |
| 1000.3 |
0.8571 |
101.52 |
| 1002.3 |
0.8676 |
105.03 |
| 1000.8 |
0.8641 |
106.54 |
| 1005.5 |
0.8627 |
107.78 |
| 1001.7 |
0.8716 |
99.89 |
| 1002.0 |
0.8671 |
103.09 |
| 1001.7 |
0.8627 |
104.35 |
| 平均值 |
0.862 |
104.35 |
| 偏差/相对偏差 |
±0.0037 / 0.43% |
±02.29 / 2.21% |
结论
非金属元素如氢、碳、氧、硫和氮影响金属材料的物理性能。亚博网站下载这些元素可能存在于添加剂制造所用的粉末状原料中，也可能在生产过程中引入。亚博网站下载因此，详细的质量控制应该始终集中在原材料和最终产品的分析上。燃烧分析提供了可靠和方便的解决方案，可重复测量元素浓度范围从几个ppm到百分比。
参考资料及进一步阅读
- 增材制造技术简介，www.epma.com/am
- Berumen,美国;Bechmann f;等，激光和粉末床增材制造(AM)技术的质量控制，物理过程，5,617-622,LANE 2010
此信息已从ELTRA GmbH提供的材料中获取、审查和改编。亚博网站下载
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