在现代制造业中，3D打印技术可以通过高功率激光等高能电子束与合金粉末、丝材等原材料的交互作用，进行原位熔化-快速凝固-逐层堆积，从而直接从数字模型一步实现金属的成形制造，不仅材料利用率高，而且灵活度极高，特别适合小批量、个性化产品的生产，在航空航天、核电、化工、民用等诸多领域引起了广泛关注。其中，3D打印金属粉末是实现高性能金属零部件制造的重要材料之一，其质量直接关系到最终产品的性能，不仅要有良好的可塑性，而且对粒径、粒度分布、流动性，以及球形度等各个方面也有着较高的要求，因此在制备完成后对其进行一系列严格的检测与评价是十分必要的。

一、化学成分检测

化学成分决定了材料的基本属性，当C、O等非金属杂质含量过高时，将显著降低颗粒在液相金属中的润湿性，引起成形过程中的球化效应及凝固微裂纹，而导致工件力学性能的降低，因此3D打印用金属粉末成分的精确检测是保证3D打印工件成分准确、组织与性能优异的基础。

金属化学成分检测方法的原理主要基于化学和物理学的原理。化学分析法通过化学反应来确定金属的组成成分，物理方法则利用物质的光学、电学、磁学等性质进行分析，如光谱分析、质谱分析等。通常3D打印金属粉体主要采用光谱分析法和化学分析法进行成分检测。

1.光谱分析

每种原子内的能级轨道都不相同，吸收或者辐射出来的能量不一致，呈现出来的光谱也就不一致。因此，可以根据每种物质的光谱来鉴别物质和确定它的组成成分。以下是常用的几种光谱分析法：

（1）原子吸收光谱法（AAS）：吸收光谱法是根据物质对不同波长的光具有选择性吸收而建立起来的一种分析方法，不需要对物质进行激发就可以直接测定70多种金属元素，同时其具有较高的灵敏度和准确性，适用于痕量金属元素的测定。

吸收光谱

（2）电感耦合等离子体发射光谱法（ICP-AES）：该方法是物质通过电感耦合等离子体激发被测样品，之后获取其激发态跃迁至基态或低能态时产生的发射光谱，通过查找光谱中某些元素所产生的特征线，并分析谱线强度，即可对物质含量进行快速分析，适用于多种金属元素的同时测定，不过对于惰性气体、卤素等非金属元素的灵敏度较低。

发射光谱显示光谱中的彩色线条

（3）X射线荧光光谱法（XRF）：该技术利用原级X射线激发被测样品，样品中的原子会放射出X射线荧光，然后根据样品发射出的X射线能量来确定样品的元素种类和含量，可以分析Be（4）～U（92）之间所有元素，含量范围从PPM水平到100%。具有分析速度快、精密度高、不破坏样品等特点。

2.化学分析

化学分析法通过测量化学反应前后物质质量、生成或消耗的气体、或者反应所用试剂溶液的浓度和体积变化来来确定元素的含量。化学分析法适用性广，几乎可以分析所有类型的样品，包括固体、液体和气体，同时对于一些简单的化学反应，所需的试剂和设备较为简单且成本不高。不过流程比光谱分析法较多，工作量较大，且不适用于快速分析。

二、粉末粒度及粒度分布

粉末床熔融技术是目前应用最广泛的金属3D打印技术，其主要流程为在一个铺有薄层金属粉末的平台上，通过激光或电子束按照预定的路径扫描，选择性地熔化粉末材料。熔化后的材料迅速冷却并凝固，形成固体层。一般来说，粉末颗粒小则表面积大，直接吸收的能量多，更容易升温熔化，越有利于烧结过程的顺利进行，成形质量越好。同时颗粒细小的粉末之间空隙较小，松装密度高，成形后零件致密度高，因此有利于提高产品的强度和表面质量。但是颗粒过小时，粉末容易相互粘附团聚，妨碍颗粒相互运动，流动性较差，容易造成铺粉不均，所以3D打印使用的金属粉末往往并不要求颗粒大小一致，而是选择恰当的粒度与粒度分布以达到预期的成形效果。

目前，金属粉末的粒度分布主要通过激光粒度分析仪分析，不仅能够分析0.1μ~ 2000μm范围内的粒度及粒度分布，而且具有所需样品少，快速的突出优势。

丹东百特Bettersize2600激光粒度分析仪

三、粉体形貌检测

在3D打印过程中，金属粉体的形貌检测至关重要，因为粉末颗粒的形状直接影响其流动性、堆积密度、打印精度和表面质量，以及熔化和冷却行为。球形或近球形的粉末颗粒之间的接触面积远远小于非球形颗粒，颗粒间的摩擦较小，因此通常具有更好的流动性，可以提高打印层的平整度和密实度，形成光滑的表面；而不规则形状的粉末颗粒可能导致流动性变差、堆积密度降低、表面粗糙和微观结构不一致，影响最终产品的强度。目前粉末形貌观测通常借助用扫描电子显微镜。

3D打印金属粉末SEM图（来源：顶立科技）

四、粉末松装密度和振实密度

1.松装密度

松装密度是粉末试样自然地充满规定容器时，单位容积的粉末质量。自然填充状态下的体积就是颗粒体积+颗粒上的开孔和闭孔体积+颗粒间空隙体积。测定金属粉末的松装密度有助于了解粉末的堆积性质和流动性，确保粉末在打印床上均匀分布，减少空洞和裂纹的产生，从而提高最终产品的致密度和机械性能。

通常松装密度主要采用漏斗法测量，即将粉体装入恒定及标准漏斗中，在一定的高度下让其自由流下后充满量杯，通过量杯内粉体测量的质量与量杯的体积对比即可求出其松装密度值。

2.振实密度

振实密度是将粉末装入振动容器中，在规定的条件下经过振实后测得的粉末密度，粉体材料振实后的体积是指颗粒体积+颗粒上的开孔和闭孔体积+颗粒间振实后空隙体积。与松装密度相比，振实密度更能反映粉末在受力条件下的堆积特性，这对于3D打印过程中的粉末铺展和熔融有着重要意义，有利于提高铺展的均匀性和稳定性。

振实密度的测量通常是将一定量的粉末样品放入振实密度仪的容器中，设定振动频率和时间，使粉末颗粒在振动过程中重新排列，通过测量振动后粉末的体积和质量，得到振实密度。

振实密度测试仪 （来源：丹东百特仪器有限公司）

五、流动性评价

流动性是3D打印技术中关键性能指标之一，直接影响打印过程中铺粉的均匀性和送粉过程的稳定性。如果粉末流动性较差，铺粉时会造成粉末层局部不均匀，粉末堆积密度下降，得到的成形制品组织不均匀，致密度降低。

流动性是一个与形貌、粒度分布及松装密度相关的综合性参数，与流动性相关的测试点包括休止角、流出速度和压缩度。

流动性影响因素（来源：镭明激光金属3D打印 ）

（1）休止角：是粉体堆积层的自由斜面与水平面所形成的最大角，是粒子在粉体堆积层的自由斜面上滑动时所受重力和粒子间摩擦力达到平衡而处于静止状态下通过休止角测量仪测得，通常休止角越小，摩擦力越小，流动性越好。

休止角测定仪及流动性评价

（2）流出速度：是将物料加入于漏斗中用测定的全部物料流出所需的时间来描述。通常采用50g粉末，单位为s/50g，可以通过霍尔流速计测量，数值愈小说明该粉末的流动性愈好

（3）压缩度：反映了粉体的凝聚性、松软状态，是粉体流动性的重要指标。在流动性较好的粉体中,松装密度和振实密度值会接近，卡尔指数会很小。在颗粒间相互作用更大、流动性差的粉体中，松装密度和振实密度之间的差异会更大，卡尔指数更大，因此通常采用卡尔指数和豪斯纳比来评价其压缩度。

参考文章：

《精合集团带您解读——粉末质量检测对金属3D打印质量的重要性》.镭明激光金属3D打印

《进入火爆的3D打印金属粉末市场之前，先看下这篇文章》. 材料热处理工程师

《一文了解金属粉末》. 材易通

粉体圈Corange