利用废金属制备Al-5Cu-3Ti-1Cr-1Fe合金粉末用于激光粉末床熔融的可持续性研究

为解决金属增材制造中原材料高碳足迹问题，研究人员创新性地采用铝2024、Ti-6Al-4V和316L不锈钢废料作为原料，通过气体雾化法制备Al-5Cu-3Ti-1Cr-1Fe合金粉末（PBF-LB/M）。研究表明，再生合金（Re-Alloy）比原生合金（V-Alloy）具有更宽的工艺窗口和更高的激光吸收率，同时将碳足迹降低50%（15.5 vs 31.5 kgCO2/kg）。该研究为可持续增材制造提供了新材料策略。

　　

在全球铝产业年产量达1亿吨的背景下，约40%的原材料在制造链中流失，而传统铝生产的高能耗（189 MJ/kg）和高排放（31.5 kgCO₂/kg）问题日益突出。激光粉末床熔融（PBF-LB/M）技术虽能实现复杂构件制造，但其原料生产环节的碳足迹占总排放的显著比例。为此，ETH Zürich的Chiara Monti团队在《Sustainable Materials and Technologies》发表研究，探索通过混合废料（铝2024、Ti-6Al-4V和316L不锈钢）制备Al-5Cu-3Ti-1Cr-1Fe合金粉末的可行性，以降低环境负荷。

研究采用真空感应熔炼气体雾化（VIGA）技术制备粉末，关键方法包括：1）使用SEM-EDX分析废料与粉末成分；2）UV-Vis-NIR光谱测定粉末吸收率；3）FT4流变仪评估粉末流动性；4）激光参数优化实验确定PBF-LB/M工艺窗口；5）力学性能测试与断口分析；6）基于ISO 14040标准的生命周期评估（LCA）。

粉末表征

通过气体雾化制备的再生合金（Re-Alloy）与原生合金（V-Alloy）粉末D₅₀分别为36.7 μm和34.9 μm，形貌均呈球形。EDX显示Re-Alloy含0.17 wt% Mg和0.52 wt% Mn，这些杂质元素使其在1070 nm波长激光吸收率提升至74%（V-Alloy为53%），FT4测试显示其比流动能（SE）更低（1.90 mJ），更利于铺粉。

工艺优化

Re-Alloy在PBF-LB/M中展现出更宽的工艺窗口，在370 W/1400 mm/s参数下达到99.9%致密度，优于V-Alloy的最佳参数（370 W/800 mm/s）。这种优势归因于表面氧化物增强的激光吸收效应，与Ghasemi等提出的Al-Si-Mg体系机理一致。

力学性能

拉伸测试显示Re-Alloy屈服强度（399±10 MPa）略低于V-Alloy（438±6 MPa），但断裂延伸率提升62%（6.8% vs 4.2%）。这源于Mn元素抑制Al₁₃Fe₄脆性相形成，促进Al₆(Fe,Mn)亚稳相生成。

环境效益

LCA分析表明，Re-Alloy粉末碳足迹（15.5±1.0 kgCO₂/kg）较V-Alloy降低50.8%，主要归功于废料利用。而PBF-LB/M过程碳排放（15.2±1.2 kgCO₂/kg）与粉末类型无关，凸显原料生产环节的关键影响。

该研究首次证实混合废料制备复杂成分合金粉末的可行性，突破传统单源废料限制。Monti等提出的"废料配方设计"方法，不仅将Al-Cu-Ti-Cr-Fe合金的工艺窗口扩大40%，更通过Mn元素调控相组成实现强度-塑性协同优化。从产业角度看，该策略可对接航空（Ti-6Al-4V废料）、汽车（Al2024废料）等多领域废料流，为循环经济提供技术支撑。未来研究可探索废料杂质元素与激光参数的映射关系，进一步释放材料设计自由度。