通过生产用于增材制造的原始粉末，实现电动汽车电池组中铝废料的再利用

《International Journal of Sustainable Engineering》：Revalorisation of aluminium scrap from electric car battery packs by production of raw powder for additive manufacturing

本研究探索回收电动汽车电池外壳铝部件制备SLM专用粉末的可行性。通过熔融混合与高压气体雾化工艺，将电池框架、冷却板等不同铝合金（AlSi12、5xxx、3xxx、6xxx）优化组合为AlSi7目标合金，获得粒径<63μm的球形粉末。实验表明，通过调节激光能量密度（127.3 J/mm3）与扫描参数，可使SLM打印件密度达99.8%，硬度105±5 HV，抗拉强度357±6 MPa，与商用AlSi10Mg相当，验证了再生铝在增材制造中的技术可行性。

　　本研究探讨了从电动汽车电池外壳中回收的铝制组件在选择性激光熔融（SLM）增材制造中的再利用潜力，旨在生产高质量的粉末材料。通过电池拆解、化学表征、熔炼和高压气体雾化等步骤，研究人员成功制备出一种适合SLM应用的球形AlSi7粉末。这一成果不仅为电动汽车电池的回收利用提供了新的思路，也为实现可持续制造工艺开辟了新的途径。

随着全球对环保和资源循环利用的重视，铝材料的回收与再利用正成为工业领域的重要研究方向。铝作为轻质金属材料，广泛应用于电动汽车电池外壳等结构部件，其低密度和高抗冲击性能使其成为减轻车辆重量的理想选择。然而，传统铝加工工艺在能源消耗和碳排放方面存在较大问题，而通过回收利用废旧铝材，可以有效降低生产过程中的能耗和温室气体排放。研究发现，使用废铝生产合金可使能耗和温室气体排放减少超过90%，这表明铝的再利用对于实现可持续发展目标具有重要意义。

尽管铝的回收利用带来了显著的环境效益，但其在实际应用中仍面临诸多挑战。例如，废铝中往往含有多种杂质，如铁、锰、铬、钛、锌和铜等，这些杂质的存在可能导致合金性能的下降。然而，本研究通过优化SLM工艺参数，成功地克服了这一问题。实验表明，即使在回收铝中存在相对较高的铁含量，通过精确控制SLM过程中的能量密度、扫描速度等关键参数，仍可实现接近完全致密的打印部件。这表明，通过先进的制造工艺，可以有效抑制杂质对材料性能的不利影响。

铝硅（Al-Si）合金在增材制造中具有广泛的应用前景，其优异的流动性、低熔点和良好的铸造性能使其成为理想的材料选择。研究指出，AlSi10Mg是当前SLM技术中最常用的铝硅合金之一，而本研究选用AlSi7作为目标合金，主要是考虑到其与AlSi10Mg相似的性能特征，同时能够减少对回收铝中硅含量的依赖。此外，AlSi7合金在无镁添加的情况下仍能表现出良好的机械性能，这为铝硅合金的再利用提供了新的可能性。

在实验过程中，研究人员首先对废旧电池进行拆解，提取其中的金属部件，并通过化学分析确定其元素组成。随后，将这些铝材在开放式炉中熔炼，并加入熔剂以去除氧化物和杂质。通过混合不同熔炼批次的铝锭，并使用高压气体雾化设备（Leybold VIGA 2S）进行雾化，最终获得适合SLM使用的粉末材料。实验还对粉末的粒径分布进行了详细分析，发现其粒径范围主要集中在50微米以下，其中粒径小于63微米的粉末占据了25.2%的比例，这表明回收铝材料在经过适当处理后，能够满足SLM工艺对粉末粒径的要求。

为了进一步优化SLM工艺参数，研究人员采用两因素全因子设计，对激光功率、扫描速度、扫描间距和层厚等参数进行了系统研究。结果表明，这些参数对最终产品的致密度具有显著影响，其中扫描间距与扫描点间距的交互作用最为关键。通过调整这些参数，研究团队成功实现了99.8%以上的致密度，同时保持了较低的孔隙率。此外，研究还发现，AlSi7合金在SLM过程中的最佳能量密度为127.3 J/mm3，略高于商用AlSi10Mg粉末（107.7 J/mm3），这表明在特定条件下，回收铝材料的性能仍可达到商用材料的水平。

微观结构分析显示，回收铝制备的AlSi7粉末在SLM过程中形成了细小的α-Al基体和连续的硅网络结构。这种微结构特征不仅有助于提高材料的强度和硬度，还能够改善其延展性和韧性。研究还指出，SLM过程中的快速冷却速率有助于提高合金元素的固溶度，并减少次生相的尺寸，从而抑制有害的Fe-rich金属间相的形成。这为高Fe含量的回收铝材料在增材制造中的应用提供了理论支持和实验依据。

在机械性能测试方面，回收铝制备的AlSi7材料表现出与商用AlSi10Mg合金相当的性能。其维氏硬度为105±5 HV0.5，接近传统高压铸造AlSi10Mg的硬度范围（95–105 HV）。拉伸试验结果显示，回收铝制备的样品具有357±6 MPa的抗拉强度和2.4±0.3%的延伸率，这些数值与SLM工艺中常见的AlSi合金性能基本一致。尽管与某些优化后的AlSi10Mg样品相比，其性能略低，但整体表现仍处于可接受范围内。

研究还探讨了回收铝材料在SLM过程中的可行性。尽管回收铝通常被认为在质量上不如原始材料，但通过适当的工艺优化，其性能可以得到显著提升。实验表明，回收铝材料在SLM过程中能够形成细小的熔池结构，这种结构有助于提高材料的致密度和机械性能。此外，回收铝材料在经过雾化处理后，其粉末的球形度和流动性均符合SLM工艺的要求，这为未来大规模应用提供了基础。

在实际应用中，回收铝材料的再利用不仅有助于减少资源浪费，还能降低制造过程中的碳足迹。通过将废旧电池外壳中的铝材料转化为SLM用粉末，研究人员为实现绿色制造提供了一种创新方案。这一技术路径可以显著减少对原始铝材料的需求，从而降低能源消耗和环境影响。同时，它还为电动汽车行业的循环经济模式提供了新的思路，使废旧电池材料能够重新进入生产循环，提升资源利用效率。

尽管研究取得了积极成果，但仍存在一些需要进一步解决的问题。例如，回收铝材料中的杂质可能会在长期使用中逐渐积累，影响其性能稳定性。此外，粉末在多次打印过程中的质量变化也需要进一步关注，以确保其在后续制造中的可靠性。因此，未来的研究可以集中在如何优化回收铝的纯度、改善粉末的存储条件以及开发更高效的再利用策略。

总的来说，本研究证明了从电动汽车电池外壳中回收的铝材料在SLM工艺中的可行性，并展示了其在机械性能和微观结构方面的良好表现。通过合理的工艺优化和材料处理，回收铝不仅能够满足高性能制造的需求，还能为实现可持续发展目标做出重要贡献。这一成果为铝材料的回收再利用提供了新的方向，也为未来电动汽车行业的绿色制造实践奠定了基础。