综述：粉末回收对激光粉末床熔融制备材料粉末特性及力学性能的影响

《Sustainable Materials and Technologies》：Effect of powder recycling on powder characteristics and mechanical properties of materials produced by laser powder bed fusion (LPBF): A review

本文系统综述了激光粉末床熔融（LPBF）技术中金属粉末回收利用的研究进展。文章聚焦粉末循环使用导致的物理化学特性演变（如粒径分布PSD、形貌、化学成分），及其对粉末床密度（PBD）、熔池动力学和最终制件力学性能（特别是疲劳性能）的影响。综述深入探讨了粉末劣化的根本机制，评估了实时监控、优化补充策略等预防方法，并指出了当前研究存在的矛盾结论与空白领域，为通过优化粉末回收技术提升LPBF工艺的可持续性提供了路线图。

　　

粉末回收方法

激光粉末床熔融（LPBF）技术常用的粉末制备方法包括气体雾化、超声雾化、感应熔融棒料雾化、等离子雾化、等离子球化以及水雾化等。这些方法的基本原理是利用雾化介质（如气体、水、超声波、等离子体）将熔融金属流破碎成细小液滴，这些液滴在半空中快速凝固，形成细小的粉末颗粒。

粉末回收对粒径分布（PSD）的影响

粒径分布在决定LPBF工艺中的粉末流动性、堆积密度和铺层均匀性方面起着至关重要的作用。通常倾向于使用球形、粒径分布集中的粉末以获得更好的流动特性，这有助于实现均匀的粉末铺展、减少缺陷并提高熔化效率。回收粉末特性的变化会显著影响熔化机制和最终零件质量。热暴露和氧化物的生成，尤其是卫星粉的形成和颗粒间的烧结，会导致PSD向粗粒径方向偏移。然而，研究结果存在不一致性：部分研究表明随着回收次数增加，细粉含量减少，平均粒径增大；而另一些研究则观察到细粉比例增加或PSD变化不显著。这种差异可能与具体材料、回收工艺细节（如筛网目数）以及粉末在成型室内的位置有关。例如，有报道称靠近气体出口处的粉末表现出比其他位置更大的PSD。

化学组成

粉末的元素组成对LPBF制件的整体性能至关重要。表面化学变化可能加剧氧化，导致颗粒间摩擦和粘附，影响流动性和铺展性。同样，体相化学的变化可能导致不期望的化学成分，从而引起力学性能的波动。通过雾化生产的金属粉末会形成一层薄的氧化层。在熔化过程中，这层氧化膜可能破裂并卷入熔池，成为夹杂物或气孔的来源。粉末回收过程中，反复的热循环和与大气（尤其是在操作过程中）的接触会导致氧、氮等间隙元素含量的增加，这对于钛合金（如Ti-6Al-4V）等活性材料尤为显著，可能引发脆性相（如α-case）的形成，损害力学性能。相比之下，镍基高温合金（如Inconel 718）在回收过程中通常表现出较好的化学稳定性，但其物理性质（如颗粒形貌）可能因热影响而发生变化。

粉末回收对微观结构的影响

在Ti-6Al-4V的不同回收阶段，粉末重复使用后粉末和制件微观结构的变化被发现是微不足道的。在制件中观察到的α’、α"以及α + β相与LPBF过程的冷却速率和再加热有关。当温度高于β转变温度（约1000°C）时，Ti-6Al-4V的微观结构主要由粗大的原始β晶粒组成。冷却后，最终的微观结构根据冷却速率而变化：快速冷却（如LPBF中）产生马氏体α‘相，而较慢冷却则产生片层α + β结构。回收粉末制备的零件其微观结构通常与新鲜粉末制备的零件相似，主要差异源于工艺参数和热历史，而非粉末本身的回收状态。然而，化学变化（如氧含量增加）可能间接影响相组成和晶粒尺寸。

粉末回收对LPBF制件力学性能的影响

粉末回收可能劣化粉末特性，从而通过促进气孔和其他缺陷的产生来影响零件性能。相反，如一些研究所指出的，回收过程中粉末球形度和流动性的改善有助于提高工艺稳定性，从而制造出更致密的零件并改善力学性能。钛合金是极端环境下最常用的材料，通过LPBF可以制造出密度高于99%的零件。研究表明，使用回收粉末制造的Ti-6Al-4V试样，其拉伸强度、屈服强度和延展性在多次回收后可能保持相对稳定，甚至在某些情况下由于粉末条件改善而略有提高。然而，关键的挑战在于疲劳性能。对于镍基高温合金如Inconel 718，回收粉末制备的零件也显示出与新鲜粉末零件相当的静态力学性能。但同样，循环加载性能可能对回收引入的缺陷更为敏感。

粉末回收对循环载荷（疲劳）的影响

尽管粉末回收相关的缺陷在静载荷下影响较小，但它们会显著降低使用回收粉末制造的零件的疲劳性能（循环加载性能）。疲劳强度是承受循环载荷部件的一个关键设计参数，其退化可能导致关键应用中的过早失效和灾难性后果。可能影响疲劳性能的缺陷包括气孔、未熔合、氧化物夹杂以及表面粗糙度。这些缺陷作为应力集中点，在循环载荷下促进裂纹萌生。使用回收粉末时，氧含量的增加、PSD的变化以及粉末铺层密度的潜在下降都可能导致此类缺陷的数量或尺寸增加，从而加速疲劳裂纹的萌生和扩展，降低疲劳寿命。研究表明，对于Ti-6Al-4V等材料，即使静态性能变化不大，高周疲劳强度也可能随着粉末回收次数的增加而明显下降。此外，成型室内样品的位置也被证明会影响疲劳性能，例如在北部和南部位置观察到不同的疲劳性能。

讨论

关于粉末回收对粉末和制件特性的影响，存在两种对立的观点（PSD变化趋势相对一致除外）。这种分歧源于每种研究材料独特的化学和物理性质，这些性质决定了它们在处理和熔化过程中的行为，导致成型室内氧摄入水平的差异。此外，回收工艺和打印零件的内在特性也显著影响结果。粉末降解的程度受多种因素影响，包括回收策略（例如，筛分、混合比例、热处理）、循环次数、基础材料特性以及具体的LPBF机器条件和操作程序。研究结果的不一致可归因于这些变量的差异。需要标准化的测试方法和报告协议，以便在不同研究之间进行有意义的比较。

结论

粉末回收已成为提高增材制造（AM）工艺，特别是航空航天、汽车和医疗应用中高价值合金的可持续性和成本效益的一种有前景的策略。制件的性能在很大程度上取决于粉末床密度（PBD），而粉末床密度又受粉末铺层密度的影响，最终由粉末颗粒的特性决定。研究表明，回收引起的颗粒尺寸、形貌和化学成分的变化会影响粉末的流动性和堆积特性，从而影响PBD和最终零件的致密化程度、缺陷形成以及力学性能。虽然通过优化回收程序（如筛分、混合、热处理）和采用实时监控可以在一定程度上控制降解，但确定粉末回收寿命的终点以及确保关键应用（尤其是疲劳敏感型应用）性能的可预测性仍然是重大挑战。未来的研究需要集中于开发更强大的在线监测技术，建立粉末状态与零件性能之间的定量关系模型，以及为不同材料和应用制定标准化的粉末回收和认证指南。通过解决这些挑战，LPBF工艺可以通过优化粉末回收技术，在实现显著的成本节约和环境效益的同时，确保结构可靠性。