金属 3D 打印（尤其是SLM选区激光熔化技术）因能制造复杂结构零件，已成为航空航天、医疗植入等高端领域的核心技术。但气孔缺陷始终是制约其质量的 “顽疾”—— 零件内部的微小气孔会导致强度下降 30% 以上，甚至引发断裂、渗漏等致命故障。事实上，80% 的气孔缺陷都与粉末特性和激光参数的不匹配相关。本文将从原理到实操，拆解两者的关联性，为解决气孔问题提供系统性方案。

一、金属3D打印气孔的 3 大类型与成因

金属3D打印的气孔缺陷并非随机产生，而是粉末熔化过程中 “能量 - 材料 - 气体” 相互作用的结果，主要分为三类：

•未熔合气孔：粉末颗粒未被完全熔化，颗粒间残留空隙，形成边缘不规则的气孔。这类气孔多分布在层间或粉末堆积密集区，在显微镜下呈 “多边形”，是最常见的缺陷类型（约占气孔总量的 60%）。

•气体滞留气孔：熔化池中溶解的气体（如粉末吸附的水汽、保护气体）未及时逸出，凝固后形成圆形小气孔，直径通常＜50μm，常见于高熔点金属（如钛合金、镍基高温合金）打印中。

•飞溅诱导气孔：激光功率过高导致粉末剧烈气化，飞溅的液滴脱离熔池后留下空洞，这类气孔周围常伴随 “飞溅痕迹”，多出现于激光扫描路径的拐角处。

二、粉末特性：决定气孔 “先天条件”

粉末是金属 3D 打印的 “原料”，其粒度、形状、流动性等特性直接影响激光熔化效果，是气孔产生的 “先天因素”。

（一）粒度分布：影响熔化均匀性

•过粗的粉末（D50＞50μm）：激光能量难以穿透颗粒核心，易形成未熔合气孔。例如不锈钢粉末 D50=60μm 时，若激光功率不足，颗粒仅表面熔化，内部残留空隙，气孔率可达 3%-5%。

•过细的粉末（D50＜15μm）：流动性差，易团聚形成 “粉末团”，激光照射时团块内部难以熔化，且细粉比表面积大，吸附的气体更多，易产生气体滞留气孔。

•最佳范围：多数金属材料（如钛合金、铝合金）的理想粒度为 15-45μm（D50=30μm），此时粉末既能均匀铺展，又能被激光充分熔化，气孔率可控制在 0.5% 以下。

（二）粉末形状与流动性：决定铺粉质量

•球形度低的粉末（如不规则棱角形）：堆积密度低（＜45%），颗粒间空隙大，激光熔化时难以填充，易形成未熔合气孔。例如雾化工艺不完善的钛合金粉末，球形度仅 0.7（理想值＞0.85），打印后气孔率比高球形度粉末高 2 倍。

•流动性差的粉末：铺粉时易出现 “空洞” 或 “堆积不均”，导致局部粉末过量或不足。用霍尔流速计测试，流动性＜25s/50g 的粉末（如潮湿的镍基粉末），铺粉层厚度偏差可达 ±5μm，直接引发气孔缺陷。

（三）粉末纯度：气体来源的关键

•含氧量过高（＞0.15%）：金属粉末（如钛、铝）易氧化形成氧化膜，激光熔化时氧化膜难以分解，阻碍颗粒融合，形成 “氧化夹杂型气孔”。例如 TC4 钛合金粉末含氧量 0.2% 时，打印件气孔率比 0.1% 的粉末高 40%。

•水分与挥发物：粉末吸潮（水分＞0.05%）或含残留有机物，激光加热时会蒸发为气体，若未及时逸出，就会形成圆形气孔。存放超过 1 周的铝合金粉末，需在 120℃真空烘干 4 小时，否则气孔率会增加 1.5 倍。

三、激光参数：调控熔池行为的 “后天因素”

激光参数直接决定熔池的温度、流动性和气体逸出效率，与粉末特性需形成 “匹配关系”—— 同一种粉末用不同激光参数，气孔率可能相差 10 倍。

（一）激光功率与扫描速度：能量密度的核心

能量密度（E = 功率 / 速度）是关键指标，过低或过高都会导致气孔：

•能量密度不足（E＜50J/mm²）：熔池温度低（＜金属熔点 + 200℃），粉末熔化不充分，形成未熔合气孔。例如 316L 不锈钢打印，E=40J/mm² 时，熔池仅能熔化表层粉末，内部残留大量空隙。

•能量密度过高（E＞150J/mm²）：熔池剧烈沸腾，金属蒸气飞溅，留下 “飞溅气孔”，同时过高温度会分解粉末中的氧化物，释放气体，增加气孔风险。

•匹配原则：根据粉末粒度调整能量密度 —— 粗粉（30-45μm）需更高 E（80-120J/mm²），细粉（15-30μm）用较低 E（60-100J/mm²）。例如 30μm 的 Inconel 718 粉末，E=90J/mm² 时气孔率最低（0.3%）。

（二）扫描策略：影响气体逸出路径

•扫描间距过大（＞激光光斑直径的 80%）：熔池重叠率低（＜30%），相邻熔道间形成 “沟槽”，易残留未熔合气孔。光斑直径 0.1mm 时，扫描间距＞0.08mm 会导致明显的 “间隔型气孔”。

•层间旋转角度不当：未采用旋转（0°）或旋转角度过小（＜30°），会导致层间应力集中，同时气体逸出路径单一，易在固定位置聚集形成气孔。采用 60° 或 90° 层间旋转，可使气孔率降低 30%。

•边缘扫描优化：零件边缘激光功率需降低 10%-15%，避免 “过熔飞溅”。例如打印钛合金叶轮边缘时，功率从 200W 降至 180W，边缘气孔可减少 60%。

（三）光斑模式与离焦量

•高斯光斑中心能量过高：中心易飞溅，边缘能量不足，形成 “中心飞溅 + 边缘未熔” 的双重气孔。采用 “平顶光斑” 可使能量分布更均匀，气孔率降低 25%。

•离焦量偏差（±0.1mm）：实际光斑直径与设计值不符，导致能量密度波动。例如设计离焦量 0mm（光斑 0.1mm），实际 + 0.2mm（光斑 0.14mm），能量密度下降 40%，直接引发未熔合气孔。

四、粉末与激光参数的关联性：匹配逻辑与优化步骤

粉末特性与激光参数并非孤立存在，而是通过 “熔池能量 - 粉末熔化 - 气体逸出” 的链条相互影响，需按以下逻辑匹配：

（一）匹配公式：基于粉末粒度的能量密度计算

推荐公式：E（J/mm²）= k × D50（μm），其中 k 为材料系数（钛合金 k=3，不锈钢 k=2.5，铝合金 k=2）。

例：D50=30μm 的 TC4 钛合金粉末，E=3×30=90J/mm²，此时激光功率 200W 时，扫描速度 = 200/90≈2.2mm/s，可实现最佳熔化。

（二）分步优化流程

1.粉末预处理：检测粒度（D10/D50/D90）、球形度、含氧量，确保 D50=20-40μm、球形度＞0.85、含氧量＜0.15%，并真空烘干（120℃，4 小时）。

2.激光参数初设：按匹配公式设置能量密度，扫描间距 = 光斑直径 ×60%-70%，层间旋转 60°。

3.试打印与检测：打印 10mm×10mm×5mm 立方体，用 CT 扫描测气孔率，若＞1%，则：

◦若以未熔合气孔为主：增加功率 5%-10%，或降低扫描速度 10%（提高能量密度）。

◦若以气体滞留气孔为主：减小扫描间距 5%（增加熔池重叠），或降低层厚 5μm（缩短气体逸出路径）。

◦若以飞溅气孔为主：降低功率 5%，或增加扫描速度 10%（降低能量密度）。

五、实战案例：航空发动机叶片的气孔控制

某企业用 SLM 技术打印 GH4169 镍基合金叶片（尺寸 150mm×50mm×30mm），初期气孔率高达 4.2%，无法满足疲劳强度要求。通过优化：

1.粉末调整：

◦原粉末：D50=55μm，球形度 0.78，含氧量 0.18%

◦优化后：选用 D50=35μm，球形度 0.88，含氧量 0.12% 的雾化粉末，流动性从 32s/50g 提升至 22s/50g。

1.激光参数匹配：

◦原参数：功率 280W，速度 1000mm/s（E=280J/mm²），扫描间距 0.12mm

◦优化后：功率 250W，速度 800mm/s（E=312.5J/mm²），扫描间距 0.08mm（光斑 0.1mm，重叠率 20%），层间旋转 60°。

1.效果：气孔率降至 0.3%，疲劳强度从 350MPa 提升至 520MPa，满足航空标准。

六、避坑指南：减少气孔的 6 个关键提醒

1.粉末储存不当：暴露在湿度＞40% 的环境中，需用密封罐 + 干燥剂存放，开封后 48 小时内用完，否则需重新烘干。

2.忽视粉末回收次数：回收超过 5 次的粉末，粒度分布会变宽（细粉增多），需筛分后与新粉按 3:7 混合使用。

3.激光头污染：镜片有油污或划痕会导致能量衰减，每周需用无水乙醇清洁，确保透光率＞95%。

4.保护气体纯度不足：氩气纯度＜99.999% 时，熔池易吸入杂质气体，需定期检测，纯度不够立即更换气瓶。

5.扫描路径未避开尖角：零件尖角处易过热飞溅，需在切片软件中设置 “圆角过渡”，或降低尖角区域功率 10%。

6.未做打印前预热：粉末床预热不足（＜100℃）会导致熔池冷却过快，气体来不及逸出，建议预热至 150-200℃（根据材料调整）。

金属3D打印的气孔缺陷，本质是 “粉末特性决定熔化基础，激光参数决定熔池行为” 的协同结果。通过控制粉末粒度在 15-45μm、球形度＞0.85，匹配对应的能量密度（60-120J/mm²）和扫描策略，再配合严格的预处理与检测，就能将气孔率稳定控制在 0.5% 以下。记住：气孔控制没有 “万能参数”，只有 “粉末与激光的精准匹配”—— 这正是金属 3D 打印的技术核心所在。