对增材制造生产的粉末冶金零件进行元素分析

工业产品开发的一个组成部分是原型和初始样品的制造，无论产品是简单的螺钉还是飞机的复杂部件。在生产环境中制造通常相当小的单件通常是一个昂贵的过程。基于这种成本效益计算，粉末冶金的一个应用领域在过去几年发展起来：增材制造。

增材制造 (AM) 是“根据 3D 模型数据连接材料以制造物体的过程。”1 AM 使用不同的金属粉末或金属合金粉末一层又一层地创建物体。制造过程的规格取决于用户的要求和可能性，以及要生产的物体的类型和尺寸。

近年来，业界建立了不同的方法，大多数AM方法都基于相同的程序。激光束局部熔化上部粉末层，从而固化并形成固体材料层。逐层重复此操作，直到创建对象。未使用粉末的质量在返回制造过程之前通过粒度分析（筛分）确定，在某些情况下还通过元素分析确定。

一、质量控制流程

增材制造正在成为一种日益成熟的生产技术。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。已确定的参数是用于增材制造的粉末的粒度分布。然而，粒度不应是用于质量控制的特征。

用于增材制造的金属粉末包括不同类型的钢和钛。为了检查这些原材料的质量和纯度，需要实施合适的流程。例如，应密切监控各种“外来”元素的含量，以确保产品的质量。

二、影响材料特性的元素

钢：影响钢性能的元素有很多，碳排在第壹位。根据这些合金元素（C、Si、Mn、P、S、Cr 等）的类型和浓度，将钢分为不同的质量等级和应用领域。下面介绍重要的非金属元素及其影响。 碳[C]：碳含量影响钢的各种物理参数。这种铁合金含有 0.0002% 到 2.06% 的碳。碳含量越高，熔点越低。此外，脆性和硬度随着碳含量的增加而增加。

硫[S]：如果合金中含有硫，这会增加钢的机械加工性，即材料适合通过钻孔或铣削等方法进行处理。硫含量越高，延展性越低。

氮[N]：氮含量可分为期望含量和不期望含量。有一些应用允许高氮浓度。在这些情况下，必需考虑其化学形式。以元素形式存在的氮沿晶界分布，并以显着的方式影响钢的延展性。与其他元素结合的氮含量通常被认为不重要。

氧[O]：氧是所谓的钢寄生虫，因为它使钢变脆并引起时效变脆。

氢[H]：钢中的氢导致机械稳定性降低。人们普遍担心氢脆，因为它可能会造成相当大的技术和经济损失。这意味着质子会附着在金属基体上，这可能会导致钢出现裂纹。

钛

氢[H]：对钛的影响与对钢的影响相同。氢可能会影响钛合金中混合相的形成。

氮[N]：氮会增加钛的脆性。

氧[O]：即使是较少量的氧也会对钛的韧性或硬度产生相当大的影响。规格书显示，即使氧含量的微小差异也可能决定钛（1 级：0.18 % O）和低质量钛（3 级：0.35 %）之间的差异。氧气显着改变钛的机械和物理性能。氧浓度为 0.1% 的钛比浓度为 0.3% 的钛稳定约 3 倍。

硫[S]/碳[C]：这些元素对钛的影响很小。

应在增材制造过程之前和之后进行所述元素浓度的测定，以确保原材料和产品都具有所需的质量。

三、分析方法

有多种测量元素浓度和杂质的方法，其中大多数需要对样品进行破坏。这样做是为了确保分析样品的所有相关成分都被释放。

燃烧分析具有许多优点。样品可以以固体形式测量，这意味着无需预先处理即可直接测量。用于增材制造工艺的金属粉末所需的平均粒径介于 5 μm 和 150 μm 之间。这通过粒度分析确定，例如通过动态图像分析。如果粉末具有正确的粒度分布，则可以通过燃烧分析来分析元素浓度。

H/C/N/O/S 的测量不能在一次分析中进行。氧、氮和氢在一个步骤中进行分析，碳和硫在另一个步骤中进行分析。这是由于应用了不同的方法：

氧/氮/氢分析

将样品放入石墨坩埚中并因高温而熔化。因此，释放出氧气、氮气和氢气。氧气在热坩埚表面转化为 CO。惰性载气从坩埚中除去气体。

氧化铜催化剂将 CO 转化为 CO2，可在红外电池中检测到。具有特定波长的红外线用于激发二氧化碳分子。转化为动能的能量损失用于确定样品的准确氧浓度。氮和氢含量在热导池中测量。