用于增材制造和粉末冶金应用的粉末热导率测量

增材制造（AM）是通过逐层添加材料来制造物体或所需零件的过程。与金属和陶瓷相关的增材制造工艺包括选择性激光烧结、电子束熔炼和激光粉末床熔合。对于塑料，可以采用这些工艺以及挤压等其他技术。在所有情况下，均使用热源（可以是加热元件或电弧等物理热源，也可以是激光或电子束等高能量束）以局部方式将原料（通常为粉末）熔化到所需位置。然后，在沉积下一层之前，使局部熔化的材料重新凝固。

这些工艺的热力学极其复杂，并且在很大程度上取决于原料成分和质量、工艺化学、环境气氛、沉积速率，以及在一定程度上取决于所加工的零件。因此，增材制造工艺的优化颇具挑战性。金属面临更多挑战，因为通常需要控制金属的淬火以控制合金中的相分布，特别是在处理形状记忆合金时。陶瓷往往相对易碎，容易受到热应变影响，因此必须注意避免材料中形成过大的热梯度，以免成品零件出现裂纹。聚合物需要严格控制温度，以确保成品零件的质量良好，并避免在工件中形成密度梯度等问题。

图1. 通过增材制造工艺制成的零部件

图2. 混合物中存在未完全分散或未均匀混合的颗粒

为什么热导率很重要？

要对这些工艺进行高效优化，需要全面了解系统的热物理性质，以及成分稳定、特性明确的粉末原料。就模拟这些工艺的热管理以及所涉及的冷却动力学而言，热导率尤为重要。

如何测量增材制造原料的热导率？

为了了解增材制造（AM）工艺热区的热量消散速度，需要全面了解零件、熔体和原料的热导率。热导率测量能提供这种认知。C-Therm 公司的 Trident 仪器提供了多热盘法（MTPS），可快速简便地表征原料和零件，仅需一种材料样本。Trident 的热盘法（TPS）各向异性功能可对各向异性沉积零件进行表征。最后，热光扫描（TLS）模块可在单个测试平台上对聚合物的熔体相进行测试。这种认知也可从多种技术方法中受益 — 通过热重分析（TGA）和量热技术来了解热稳定性、热容和相变热，这将有助于测量吸收的热量以及材料的加热和冷却速度。

图3. Trident 能够使用瞬态平面热源法（MPTS）、瞬态平面源法（TPS）和针探头法测量热导率

图4. MTPS 传感器技术只需要一个接触点

案例亮点一

在粉末冶金和粉末混合中，如何运用热扩散率？

图5. MTPS 传感器可应用于测试粉末混合均匀度

C-Therm 的 MTPS 热扩散率法可应用于粉末测试，以监测混合均匀度。

图6. 混合行为可能存在未知状态（左）、均匀稳定状态（中）或轻微状态（右）。了解混合行为对于获得高质量的测试结果至关重要。

C-Therms MTPS 方法可集成到混合机中，可在线或离线应用于原料生产中的混合均匀性测试。通过在不同位置放置多个传感器，可以确保混合物的热物理均匀性。

图7. 热扩散率在确定稳定混合与分离区域中的应用。

如上图所示，C-Therm 公司的 MTPS 传感器能够轻松识别稳定混合特性区域以及过度混合后出现的分层区域。