Порошок для селективного лазерного плавления: Полное руководство

Селективное лазерное плавление (СЛМ) - это аддитивное производство или технология 3D-печати, при которой с помощью лазера металлический порошок послойно сплавляется в твердую деталь. Свойства конечной детали определяются характеристиками используемого металлического порошка. В данной статье представлен полный обзор порошков для SLM, в котором рассматриваются состав, свойства, области применения, технические характеристики, цены, преимущества и недостатки, а также многое другое.

Обзор порошка для селективного лазерного плавления

Порошок для селективного лазерного плавления, также известный как SLM-порошок, является сырьем, используемым в процессе аддитивного производства SLM. В процессе SLM используется мощный лазер для расплавления и сплавления порошкообразных металлических сплавов в полностью плотные 3D-детали.

SLM-порошки представляют собой тонкие металлические порошки размером, как правило, от 15 до 45 мкм. Наиболее распространенными порошками для СЛМ являются сплавы на основе алюминия, титана, никеля, кобальта и нержавеющей стали. Состав и гранулометрический состав порошка определяют характеристики деталей, напечатанных методом селективного лазерного плавления.

Выбор правильного порошка для СЛМ является критически важным для получения высококачественных деталей с требуемыми механическими свойствами, точностью, качеством поверхности и микроструктурой. В данном руководстве представлена подробная информация о различных типах порошков для СЛМ, их применениях, технических характеристиках, ценах, преимуществах и недостатках, а также о ведущих мировых поставщиках.

Основные характеристики порошков SLM

• Сверхтонкий порошок размером от 15 до 45 мкм для точного лазерного плавления
• Сферическая морфология для обеспечения текучести порошка
• Химически чистый состав для минимизации дефектов
• Контролируемый гранулометрический состав предотвращает сегрегацию
• Метод производства с распылением инертного газа
• Легирующие добавки для улучшения свойств
• Может включать патентованные покрытия для улучшения текучести и плавления

Таблица 1: Типы порошков для селективного лазерного плавления

Тип порошка	Распространенные сплавы	Характеристики
Алюминий	AlSi10Mg, AlSi12, AlSi7Mg0.6	Низкая плотность, хорошая теплопроводность
Титан	Ti6Al4V, Ti6Al4V ELI, TiAl	Высокая прочность, биосовместимость
Никель	Инконель 718, Инконель 625	Термостойкость и коррозионная стойкость
Кобальтовый хром	CoCr, CoCrMo	Биосовместимость, высокая твердость
Инструментальная сталь	H13, мартенситно-стареющая сталь	Высокая твердость, износостойкость
Нержавеющая сталь	316L, 17-4PH, 420	Коррозионная стойкость, высокая прочность

Состав порошков для СЛМ

Порошки для SLM представляют собой сферические металлические порошки, изготовленные из различных сплавов методом газового распыления. Состав определяет свойства материала печатных деталей.

Таблица 2: Состав распространенных порошковых сплавов для СЛМ

Сплав	Типовой состав
AlSi10Mg	90% Al, 10% Si, 0,5% Mg
Ti6Al4V	90% Ti, 6% Al, 4% V
Инконель 718	50% Ni, 19% Cr, 18% Fe, 5% Nb
CoCrMo	60% Co, 30% Cr, 7% Mo
Нержавеющая сталь 316L	70% Fe, 17% Cr, 12% Ni, 2% Mo

Основными легирующими элементами в порошках для СЛМ являются:

• Алюминий - снижает температуру плавления, повышает теплопроводность
• Кремний - улучшает текучесть и свариваемость
• Магний - укрепляющее средство
• Титан - биосовместимость, высокая прочность
• Алюминий - альфа- и бета-стабилизатор в титановых сплавах
• Ванадий - бета-стабилизатор в титановых сплавах
• Никель - коррозионная стойкость, пластичность
• Хром - стойкость к окислению и коррозии
• Железо - обеспечивает прочность суперсплавов
• Ниобий - упрочняющий элемент в суперсплавах
• Молибден - упрочнение твердых растворов в суперсплавах
• Кобальт - повышает высокотемпературную прочность

Минимизация следовых примесей позволяет уменьшить количество дефектов в печатных компонентах, изготовленных методом SLM.

Свойства порошков для СЛМ

Свойства порошков для СЛМ напрямую влияют на характеристики 3D-печатных деталей. К желаемым свойствам относятся хорошая текучесть, высокая чистота и оптимальный гранулометрический состав.

Таблица 3: Основные свойства порошков для СЛМ

Недвижимость	Типовой диапазон	Значение
Размер частиц	15 - 45 мкм	Точность деталей, разрешение
Форма частиц	Сферическая	Улучшает текучесть
Текучесть	Отличный	Предотвращает агломерацию порошка
Кажущаяся плотность	Выше теоретической плотности 50%	Улучшает поглощение лазерного излучения, повышает плотность
Плотность отвода	Теоретическая плотность до 65%	Показатели текучести, плотности упаковки
Остаточный кислород	<0,1 wt%	Предотвращает появление дефектов окисления
Остаточный азот	<0,04 wt%	Предотвращает появление нитридных включений
Остаточный углерод	<0,03 wt%	Предотвращает выпадение карбидных осадков

Кроме того, порошки для SLM отличаются оптимизированным гранулометрическим составом с узким диапазоном, что позволяет избежать проблем сегрегации. Большинство порошков для SLM имеют значения D10 и D90 в пределах 10-20 мкм.

Такие характеристики порошков для СЛМ, как плотность порошкового слоя, текучесть, растекаемость и возможность переработки, определяют качество печатных деталей. Порошки разрабатываются таким образом, чтобы сбалансировать эти факторы.

Области применения порошков SLM

Порошки SLM используются для печати функциональных металлических деталей в различных отраслях промышленности:

Таблица 4: Области применения порошков селективного лазерного плавления

Промышленность	Общие приложения	Типичные используемые материалы
Аэрокосмическая промышленность	Лопатки турбин, сопла ракет	Инконель, титан
Автомобильная промышленность	Облегчение деталей, нестандартные геометрические формы	Алюминий, инструментальная сталь
Медицина	Зубные коронки, имплантаты, хирургические инструменты	Титан, кобальтовый хром
Общее машиностроение	Быстрые прототипы, оснастка, конечные детали	Нержавеющая сталь, инструментальная сталь

К основным преимуществам СЛМ для изготовления деталей относятся:

• Возможность создания сложных геометрических форм, невозможных при литье или механической обработке
• Изготовление деталей по индивидуальному заказу без применения сложной оснастки
• Снижение массы за счет оптимизации конструкции с учетом функциональности
• Консолидация узлов в отдельные детали
• Быстрое время выполнения заказа от разработки до изготовления детали

СЛМ подходит для мало- и среднесерийного производства конечных металлических компонентов в различных отраслях промышленности.

Технические характеристики порошков SLM

Порошки для SLM должны соответствовать строгим техническим требованиям по составу, гранулометрическому составу, морфологии, текучести, кажущейся плотности, уровню загрязнения и микроструктуре.

Таблица 5: Типовые технические характеристики порошков для селективного лазерного плавления

Параметр	Типовая спецификация	Метод испытания
Состав порошка	В пределах технических характеристик сплава	Химический анализ ICP-OES
Размер частиц	D10: 10-25 мкм <br> D50: 20-35 мкм <br> D90: 30-45 мкм	Дифракция лазерного излучения
Форма частиц	>80% сферическая, минимум спутников	СЭМ-изображение
Кажущаяся плотность	>50% от теоретической плотности сплава	Расходомер Холла
Плотность отвода	Теоретическая плотность до 65%	Тестер плотности отвода
Текучесть	Угол откоса <30°	Расходомер Холла
Остаточный кислород	<0,1 wt%	Анализ плавления инертных газов
Остаточный азот	<0,04 wt%	Анализ плавления инертных газов
Остаточный углерод	<0,03 wt%	Инфракрасное обнаружение горения

Ведущие поставщики SLM-порошков имеют собственные установки для определения характеристик порошка, что позволяет гарантировать соблюдение этих параметров для каждой партии порошка перед поставкой заказчику.

Ценообразование на порошки для селективного лазерного плавления

Стоимость порошков для SLM зависит от состава сплава, качества, поставщика, количества закупок и географического региона. Ниже приведены некоторые типичные цены на порошки:

Таблица 6: Ориентировочные диапазоны цен на популярные порошковые сплавы для СЛМ

Сплав	Цена за кг
Алюминиевый сплав AlSi10Mg	$50 – $120
Титановый сплав Ti6Al4V	$350 – $600
Инконель 718	$150 – $250
Нержавеющая сталь 316L	$50 – $100
Кобальтовый хром	$110 – $250

Самые высокие цены - на реактивные сплавы, такие как титан, самые низкие - на товарные сплавы, такие как алюминий и нержавеющая сталь. Аэрокосмические марки стоят дороже обычных сплавов. Поставщики SLM-порошков предоставляют скидки при оптовых закупках.

В целом стоимость материалов составляет 15-30% от общей стоимости детали при АМ металлов. Большая часть стоимости материалов приходится на сам порошок. Оптимизация повторного использования нерасплавленного порошка позволяет снизить среднюю стоимость детали.

Ведущие поставщики порошков для УШМ

Многие компании предлагают газоатомизированные металлические порошки, специально разработанные для аддитивного SLM-производства. К числу ведущих мировых поставщиков относятся:

Таблица 7: Основные поставщики порошков для селективного лазерного плавления

Компания	Штаб-квартира	Основные сплавы
AP&C	Канада	Сплавы Ti, Al, Co
Столярная присадка	США	Сплавы Ti, Al, Co, Cu
EOS	Германия	Сплавы Ti, Al, Ni
Sandvik Osprey	ВЕЛИКОБРИТАНИЯ	Ti, Al, Ni, нержавеющая, инструментальная сталь
Решения SLM	Германия	Сплавы Ti, Al, Ni, Co
Linde	Германия	Ti, Al, нержавеющая, инструментальная сталь
Praxair	США	Сплавы Ti, Co, Ni
Технология LPW	ВЕЛИКОБРИТАНИЯ	Ti, Al, CoCr, Inconel

Эти компании инвестировали в технологию распыления и улучшенную характеризацию, чтобы порошки для SLM отвечали строгим требованиям, предъявляемым к 3D-печати деталей высокого качества. Они предлагают широкий спектр материалов, предназначенных для SLM.

Плюсы и минусы порошков SLM

Таблица 8: Преимущества и ограничения порошков для селективного лазерного плавления

Плюсы	Cons
Очень маленький размер для высокого разрешения	Ограниченные возможности выбора сплавов по сравнению с литьем/обработкой
Хорошие характеристики потока	Реактивные сплавы, такие как Ti, подверженные загрязнению
Сферическая морфология с небольшим количеством спутников	Чувствительность к влаге требует осторожного обращения
Химическая чистота для минимизации дефектов	Металлические порошки представляют опасность для здоровья
Контролируемый гранулометрический состав	Более высокая стоимость по сравнению со стандартными порошками
Нестандартные сплавы, разработанные для SLM	Ограниченность поставщиков и доступность некоторых сплавов
Распыление в инертном газе позволяет избежать окисления	Неиспользованный порошок должен быть использован повторно, а не утилизирован

Плюсы

• Тонкость порошков SLM размером 15-45 микрон позволяет печатать с очень высоким разрешением и мелкими элементами.
• Сферическая форма частиц и хорошая текучесть предотвращают агрегацию порошка и проблемы с подачей при печати.
• Высокая химическая чистота сводит к минимуму такие дефекты, как включения и пустоты в печатных деталях.
• Гранулометрический состав оптимизирован для предотвращения сегрегации и обеспечения однородности плавления.
• Специальные поставщики разрабатывают сплавы с составом, специально предназначенным для применения в SLM.
• Распыление в инертном газе позволяет избежать окисления порошка.

Cons

• По сравнению с традиционными методами производства для SLM существует меньшее количество устоявшихся сплавов.
• Реактивные сплавы, такие как титан, требуют особого обращения для предотвращения загрязнения, что увеличивает стоимость.
• Будучи мелкодисперсными порошками, материалы SLM чувствительны к поглощению влаги при хранении и обработке.
• Металлические порошки представляют опасность в виде взрывов пыли и угрозы здоровью, что требует соблюдения мер предосторожности.
• Сплавы, полученные методом SLM, стоят существенно дороже стандартных порошковых марок из-за особенностей производственного процесса.
• Некоторые сплавы имеют очень мало поставщиков, что ограничивает их доступность и качество материала.
• Нерасплавленный порошок не может быть просто выброшен и должен быть использован повторно по соображениям экологичности и стоимости.

Как выбрать порошок SLM

Выбор оптимального порошка для SLM требует учета таких факторов, как:

• Функция детали - Механические требования, напряжения, условия эксплуатации
• Свойства сплавов - Прочность, твердость, пластичность, термостойкость
• Потребности в постобработке - Реакция на термическую обработку, обрабатываемость
• Факторы процесса - Плотность порошкового слоя, лазерное поглощение, текучесть
• Соображения, связанные с затратами - Стоимость материалов, стоимость оборудования

Назначение детали в первую очередь определяет выбор сплава. Критически важные детали с высокими нагрузками требуют порошков, обеспечивающих максимальную плотность и механические свойства. Менее ответственные задачи, связанные с изготовлением прототипов, допускают большую гибкость.

От порошка также зависят такие технологические факторы, как скорость печати, достижимая точность и качество поверхности. Бенчмаркинг материалов-кандидатов на реальных принтерах позволяет выявить наилучшее соответствие.

Ключевую роль играет стоимость. Сплавы с более высокими характеристиками для аэрокосмических применений гораздо дороже обычных марок. Уникальные сплавы могут быть доступны только у одного поставщика.

Тщательная оценка требований приложения в сравнении с возможностями и стоимостью материалов позволяет выбрать оптимальный порошок для СЛМ.

Как хранить и обращаться с порошком SLM

Бережное обращение и хранение порошков для СЛМ является важнейшим условием предотвращения деградации материала и обеспечения высокого качества печатных деталей:

• Невскрытые контейнеры хранить в сухом прохладном месте, вдали от солнечного света и влаги. Не допускать перегрева.
• Открывать контейнеры с порошком следует только в инертном перчаточном боксе с уровнем кислорода ниже 10 ppm для предотвращения окисления.
• Переносите порошки в перчаточном боксе с надлежащим заземлением, чтобы избежать накопления статического электричества. Надевайте нитриловые перчатки.
• При хранении плотно закрывайте контейнеры. Используйте только оригинальные контейнеры, а не пластиковые пакеты.
• При больших объемах порошок следует хранить в машинах со встроенными системами инертных газов.
• Перед повторным использованием просеивайте порошок через сетки с рекомендуемым размером ячеек для разрушения агломератов и удаления загрязнений.
• При необходимости используйте печи для сушки порошков и вакуумные термодегазаторы для снижения уровня влажности.
• При утилизации использованного порошка смочите его водой для предотвращения образования пыли в воздухе и утилизируйте как опасные отходы.
• Соблюдайте все меры безопасности при работе с мелкими металлическими порошками, включая СИЗ и меры по предотвращению взрыва.

Правильное управление порошком позволяет поддерживать стабильность печати и повторно использовать до 80-90% нерасплавленного порошка. Это позволяет максимизировать выход продукции при минимизации затрат на сырье.

FAQ по порошкам для селективного лазерного плавления

Вопрос: Каков типичный диапазон размеров частиц для порошков SLM?

О: Большинство порошков для СЛМ имеют размер 15-45 мкм, при этом большинство частиц находится в диапазоне 20-35 мкм. Более мелкие порошки улучшают разрешение, в то время как большие размеры ухудшают детализацию и точность.

Вопрос: Как производятся порошки для СЛМ?

О: Порошки SLM изготавливаются методом распыления в инертном газе, при котором поток расплавленного сплава разбивается на капли, застывающие в виде сферических частиц. Это позволяет избежать окисления порошка.

Вопрос: Что понимается под "кажущейся плотностью" и "тангенциальной плотностью" порошка?

О: Кажущаяся плотность - это насыпная плотность, измеренная при нормальных условиях. Плотность отвода - это повышенная плотность, достигаемая при механическом постукивании по образцу порошка для его уплотнения. Более высокая плотность улучшает характеристики порошкового слоя.

Вопрос: Почему для порошков, полученных методом SLM, важны характеристики текучести?

О: Хорошая текучесть и распределяемость порошка обеспечивает однородность слоев для равномерного плавления и предотвращает образование агрегатов. Сферические частицы улучшают текучесть по сравнению с частицами неправильной формы.

Вопрос: Как используются порошки для SLM после печати?

О: Нерасплавленный порошок просеивается для разрушения агломератов, высушивается в вакууме для снижения влажности и смешивается со свежим порошком перед повторным использованием. Это позволяет достичь уровня переработки более 80%.

Вопрос: Какие меры безопасности необходимо соблюдать при работе с порошками SLM?

О: Металлические порошки представляют опасность для здоровья, пожара и взрыва. Используйте соответствующие СИЗ, адекватную вентиляцию, надлежащее заземление и перчаточные боксы с инертным газом. Никогда не высыпайте порошок на открытый воздух.

Additional FAQs about Selective Laser Melting Powder

1) How should I set reuse limits for Selective Laser Melting Powder without degrading properties?

• Track O/N/H and PSD per lot. Typical practice: blend 20–50% virgin with recycled powder and cap total reuse at 3–8 cycles depending on alloy (Ti lowest, SS highest). Reject lots if oxygen rises >0.03 wt% over baseline (Ti) or D90 drifts beyond machine spec.

2) What powder metrics correlate most with PBF-LB print stability?

• Sphericity (>0.95), low satellites count, narrow PSD targeting 15–45 µm, Hall flow 12–20 s/50 g, apparent density stability (±0.1 g/cc), and O/N/H within spec. Consistent layer density and low moisture are critical for uniform melt pools.

3) How do I choose between gas atomized vs Plasma Rotating Electrode Process (PREP) powders?

• Gas atomization offers broad availability and lower cost. PREP yields ultra-spherical, satellite-free powders with very low oxides—preferred for fatigue-critical Ti/Ni parts and EBM—at higher cost. Validate with HIP + fatigue data.

4) Which environmental controls matter most during handling?

• Maintain low O2/H2O in hoppers and build chambers (e.g., O2 < 100 ppm for Ti, <500 ppm for steels), dry room or desiccant storage (<5% RH), pre-bake powder if needed, and use grounded, closed transfer to prevent static and contamination.

5) What acceptance tests should be on the Certificate of Analysis (CoA)?

• Chemistry (ICP-OES), PSD (laser diffraction with D10/D50/D90), morphology/sphericity (SEM image analysis), flowability (Hall/Carney), apparent/tap density, O/N/H (inert gas fusion), moisture (Karl Fischer), and contamination/foreign particles report.

2025 Industry Trends: Selective Laser Melting Powder

• Digital genealogy: Lot-level powder tracking and in-situ melt-pool data integrated for faster root-cause analysis; mandatory in aerospace RFQs.
• Higher layer thickness: Shift to 50–80 µm layers on multi-laser systems demands tighter PSD control and improved flow modifiers.
• Sustainability: Reuse ratios up; vendors offer recycled content disclosure and CO2e per kg. Closed-loop sieving/drying stations reduce scrap.
• Alloy diversification: Copper alloys (CuCrZr), high-strength Al (AlSi7Mg, Sc‑modified), and precipitation-hardened steels gain mainstream profiles.
• Safety modernization: NFPA 484-compliant facilities adopt continuous dust monitoring and inertization for powder handling rooms.

Table: 2025 indicative SLM powder benchmarks by alloy family

Сплав	PSD target (µm)	Sphericity (mean)	O (wt%) typical	Hall flow (s/50 g)	Кажущаяся плотность (г/куб. см)	Reuse cap (cycles)
Ti‑6Al‑4V	15–45	0.96–0.98	0.08–0.15	14–18	2.4–2.7	3-5
IN718	15–53	0.96–0.98	0.01–0.03	12–16	4.3–4.7	5-8
316L	15–45	0.95–0.97	0.02–0.04	12–18	3.8–4.3	6–10
AlSi10Mg	20–63	0.95–0.97	0.03–0.06	16–22	1.2–1.5	4–8
CoCrMo	15–45	0.95–0.97	0.01–0.03	10–16	4.4–4.8	5-8

Selected references and standards:

• ISO/ASTM 52907 (Metal powders for AM), ISO/ASTM 52904 (Process characteristics)
• ASTM F3302 (Feedstock process control), ASTM E2651/E1019 (O/N/H)
• NIST AM-Bench datasets: https://www.nist.gov/ambench
• ASTM AM CoE resources: https://amcoe.astm.org/
• NFPA 484 (Combustible metals): https://www.nfpa.org/

Latest Research Cases

Case Study 1: Tightening Fatigue Scatter with Ti‑6Al‑4V SLM Powder (2025)
Background: An aerospace supplier saw variability in HCF performance across multi-laser builds.
Solution: Switched to PREP Ti‑6Al‑4V powder (15–45 µm), enforced O2 < 80 ppm in handling, capped reuse at 4 cycles, and implemented SEM-based satellites QC. Post-build HIP and standardized surface finishing were mandated.
Results: Density 99.9% post‑HIP; HCF limit at 10^7 cycles improved by 8–12%; scrap rate −27%; powder spend +6% offset by yield gains.

Case Study 2: High-Throughput 316L with 60–80 µm Layers (2024)
Background: A contract manufacturer targeted 25% throughput gain without compromising density.
Solution: Adopted broader PSD 20–63 µm GA 316L with flow aids; tuned stripe hatch and contour passes; closed-loop sieving and moisture control (KF < 200 ppm).
Results: Build time −24%; as-built density 99.6–99.8%; surface roughness unchanged after parameter optimization; powder reuse extended to 8 cycles with stable O/N/H.

Мнения экспертов

• Dr. Brent Stucker, AM standards contributor and executive
  Viewpoint: “Powder genealogy tied to melt-pool data is now a prerequisite for certifying Selective Laser Melting Powder in flight-critical workflows.”
• Prof. Iain Todd, University of Sheffield, Metallurgy and Materials Processing
  Viewpoint: “Controlling satellites and PSD tails is the simplest lever to stabilize porosity across multi-laser SLM platforms.”
• Dr. Laura Cotterell, AM Materials Lead, Aerospace OEM
  Viewpoint: “For titanium, atmosphere control during handling has as much impact on fatigue as the build parameters themselves.”

Practical Tools and Resources

• ISO/ASTM AM standards portal – https://www.astm.org/ | https://www.iso.org/
• NIST AM‑Bench models and data – https://www.nist.gov/ambench
• SAE/AMS specs for AM Ti/Ni materials – https://www.sae.org/
• ImageJ/Fiji plugins for powder sphericity and PSD from SEM – https://imagej.nih.gov/ij/
• Karl Fischer moisture testing guides (powders) – major instrument vendors (e.g., Mettler Toledo)
• NFPA 484 guidance on powder handling safety – https://www.nfpa.org/

SEO tip: Include keyword variants like “Selective Laser Melting Powder specifications,” “SLM powder reuse and oxygen control,” and “PREP vs gas atomized SLM powders” in subheadings, internal links, and image alt text.

Last updated: 2025-10-14
Changelog: Added 5 targeted FAQs; introduced 2025 benchmarks table and trend notes; provided two recent case studies; included expert viewpoints; compiled practical tools/resources; added SEO keyword guidance
Next review date & triggers: 2026-04-15 or earlier if ISO/ASTM standards change, OEM allowables update, or new datasets revise PSD/sphericity/O/N/H best practices