综述：粉末冶金在增材制造中的应用：趋势、挑战、方法、材料及新兴应用

《Powder Technology》：Powder metallurgy in additive manufacturing: Trends, challenges, methods, materials, and emerging applications

增材制造与粉末冶金融合技术综述，系统分析PBF、BJ、DED等主流粉末床熔融技术原理及工艺参数，探讨粉末特性（形貌、粒径分布、化学成分）对熔池稳定性、致密化行为及最终力学性能的影响，总结铁基、钛合金、高温合金等常见材料体系在航空、医疗等领域的应用，提出混合制造、AI监控、粉末循环回收等未来发展方向。

　　

Mikail Aslan

土耳其加济安泰普大学工程学院冶金与材料工程系，加济安泰普27310

摘要

增材制造（AM）作为一种变革性的生产方式，能够通过逐层材料固化来制造复杂、轻量化且定制化的组件。当与粉末冶金（PM）结合时，AM为制造具有定制微观结构和增强功能特性的高性能金属和陶瓷零件提供了更多机会。本文系统地探讨了主要的基于粉末的AM技术，包括粉末床熔融（PBF）、粘结剂喷射（BJ）、定向能量沉积（DED）、材料喷射（MJ）和冷喷涂（CS），讨论了它们的工作原理、粉末与工艺的相互作用、优势、局限性以及工业应用案例。特别关注了粉末的特性，如颗粒形态、粒度分布、化学成分和流动性，这些特性决定了粉末的铺展性、致密化行为、熔池稳定性以及最终组件的质量。文章还全面概述了常用的粉末系统，涵盖了铁基钢、钛合金、镍基超合金、铝合金、钴铬合金、铜合金、高熵合金、含稀土粉末、陶瓷以及金属陶瓷复合材料。在具体AM工艺的背景下分析了微观结构的形成、缺陷机制以及由此产生的机械性能。文中还重点介绍了新兴的发展趋势，包括多材料沉积、混合增材-减材制造、人工智能驱动的工艺监控以及改进的粉末回收技术，这些技术有望提高可持续性、可扩展性和应用多样性。总体而言，本文总结了当前关于粉末生产、粉末-工艺关系以及AM中材料行为的知识，为理解PM如何继续塑造金属AM的发展和工业应用提供了框架。

引言

未来的产品设计和生产将受到增材制造（AM）的影响，AM通常被称为三维（3D）打印。AM通过逐层堆积材料来创建物体，而传统的减材方法则是从固体块中去除材料。这种创新方法为设计复杂性、效率和定制化开辟了新的可能性，为众多行业带来了进步。

设计、制造和测试是AM过程的三个主要步骤，如图1所示。首先进行设计阶段，工程师们开发和完善数字模型以确保满足所有要求。然后配置3D打印机进行生产，并在制造阶段进行必要的后处理以提升产品表面质量。最后在测试阶段评估零件质量；如果符合要求即可使用，否则进行修改。这种结构化的流程提高了效率、精度和可靠性，使AM成为现代制造业中的变革力量[1]。

基于粉末冶金的增材制造（PM-AM）是一种生产金属和非金属组件的杰出技术。通过将AM与金属粉末及陶瓷粉末相结合，由于前者的灵活性和精确性，结构零件的制造方式发生了根本性变化。AM能够形成复杂的多边形结构，这些结构用传统技术生产质量较低或成本过高；同时还能制造高质量的零件，无需使用传统工具、模具和框架。该过程从钛、不锈钢、铝或钴铬等细粉末开始，首先将粉末均匀铺展在平面上，然后利用激光或电子束（EB）熔化粉末并使其粘合。平台下降后，逐层重复此过程直至构建完成。未熔化的粉末随后从构建腔中取出并根据其状况进行回收。该过程如图2所示。

相比之下，传统的粉末冶金（PM）通过压缩和加热粉末来制造零件。将这种方法与AM结合使用，可以生产出传统方法难以处理的复杂几何形状。这种组合不仅扩展了设计可能性，还提高了材料利用率，成为制造轻量化、耐用且高度定制化组件的理想方案。此外，该技术加速了原型改进，使设计能够更快地进行检查和完善，从而节省时间和成本，为汽车、航空航天和医疗保健等领域带来了新的机遇。越来越多的专家认识到将PM与AM结合的巨大潜力，包括更高的产品性能、更低的成本和更好的创新流程。然而，这种结合也引入了独特的技术挑战，这些挑战会严重影响零件质量、工艺可靠性和机械性能[3]。

粉末床金属AM的每一个方面都依赖于粉末的质量。粉末的流动性、堆积密度、熔化特性以及均匀连续层的形成受到粉末颗粒形状、粒度分布、化学成分和孔隙率的显著影响[4]、[5]。粉末的不规则性和氧化会导致孔隙率增加、团聚和熔合问题，尤其是在处理难以加工的超合金（如IN718）和Ti-6Al-4V等粉末时。由于PM-AM过程中存在极端的热波动，过程控制仍然具有挑战性。新沉积的层会经历快速的热循环，导致严重的温度梯度，从而产生残余应力、变形和微裂纹，尤其是在处理高熔点材料和脆性材料时[6]。熔池不稳定、飞溅形成和关键孔形成也是重要问题，这些问题受粉末特性以及激光和电子束参数和扫描策略的影响[7]。当考虑粉末的可回收性和可持续性问题时，情况变得更加复杂。粉末的可回收性对最终产品的致密化、微观结构和机械性能有显著的不利影响。为了解决这些问题，必须采取严格的粉末管理措施，包括储存、筛分和混合等，不能有任何妥协。混合增材-减材制造已被作为一种替代策略，用于缓解与PM-AM相关的一些问题。混合PM-AM和减材计算机数控（CNC）铣削已被用于提高最终产品的精度、表面质量和可靠性，同时减少后处理操作的需求[8]、[9]。

总之，PM-AM在零件和产品设计方面具有显著的自由度，但在各种工艺变量之间需要复杂的平衡。密切监控粉末质量、优化各种PM-AM参数、热管理，以及在适当的情况下采用混合PM-AM和减材CNC铣削至关重要。通过改进的粉末管理、混合PM-AM和减材CNC铣削、原位监控、异常检测和自适应工艺控制，本研究项目旨在解决一些与PM-AM相关的问题，并为生产可靠且高质量的PM-AM零件和产品奠定坚实基础。

粉末生产技术及其对AM的影响

金属粉末的性质和特性对PM-AM操作的所有方面都非常重要。这些材料极大地影响了最终产品的性能，如堆积密度、熔池稳定性和微观结构的发展[10]。选择用于生产粉末的方法将决定结果。三种主要技术——气体雾化、机械铣削和等离子体雾化——会产生不同的粉末形状、粒度分布和孔隙率水平

PM-AM中的技术

在讨论粉末在AM（也称为PM-AM）中的应用时，主要使用的方法如图3所示。一种众所周知的方法是PBF，它通过逐层熔化金属粉末[16]。另一种将粉末颗粒粘合在一起的方法称为BJ，该方法使用液态粘结剂[17]。在另一种称为DED的方法中，通过集中能量在沉积过程中熔化粉末[18]。材料喷射（MJ）也使用金属粉末，类似于传统的喷墨技术

PM-AM技术之间的权衡

评估AM技术的一个关键方面是认识到分辨率、可扩展性、材料兼容性、后处理和运营成本之间的内在权衡。例如，PBF由于精细的粉末铺展和可控的熔池动态，提供了出色的几何分辨率和优异的机械性能。然而，这些优势是以有限的工业可扩展性、受限的构建体积、缓慢的生产速度和较高的成本为代价的

PM-AM中使用的材料

一种独特的制造符合精确规格和所需质量的复杂金属和非金属零件的方法是结合AM和PM。该过程使用多种AM技术组装粉末。材料的选择至关重要，因为它对成品的强度、密度和整体性能有显著影响[57]。本文介绍了AM-PM中常用的材料特性，包括复合材料、铁、各种金属和超合金

PM-AM中的仿真和建模进展

除了实验和以工艺为中心的研究外，计算建模和仿真已成为理解、预测和优化PM-AM不可或缺的工具[234]、[235]、[236]、[237]、[238]、[239]。仿真框架包括离散元方法（DEM），用于捕捉粉末铺展、堆积和床层形成；以及有限元（FE）和计算流体动力学（CFD）模型，用于解决熔池动态、热传递和残余应力演变等问题

PM-AM中的功能属性和质量考虑

PM-AM组件的功能性能和服务可靠性受到多个相互依赖属性的影响，每个属性都受到粉末特性、工艺参数、热历史和后处理处理的影响[3]。如表10所示，密度和孔隙率对承载能力、抗疲劳性和密封性能至关重要。在高精度航空航天、能源和生物医学应用中，高密度更受欢迎

PM-AM：监控、优化和混合系统

PM-AM利用316L、Ti-6Al-4V、IN718、Fe-Ni合金和铜基系统等粉末实现了接近净形的复杂金属组件制造[60]。尽管PM-AM提供了前所未有的设计灵活性，但在工艺稳定性、粉末处理、能源使用和机械性能控制方面仍存在挑战。解决这些问题依赖于原位监控、异常检测、工艺优化、粉末回收、能源管理、稀土处理以及混合增材-减材

PM-AM的应用领域

在材料选择上的多样性和定制设计的潜力使得PM-AM在重视精度、灵活性和卓越性能的领域特别有价值，包括航空航天、汽车、医疗和电子行业。本文详细探讨了PM-AM的当前应用，强调了其在塑造先进制造未来方面的日益重要影响。它展示了如何使用先进的AM技术（包括DED、PBF、BJ和MJ）来实现

PM-AM的未来展望和研究方向

PM与AM的技术融合继续重新定义了先进制造业的格局，然而当前的发展揭示了几种新兴趋势，这些趋势正在重塑研究重点。其中一个最重要的趋势是从纯粹的几何和功能定制向微观结构和成分定制的转变，这得益于粉末设计、合金改良和实时热控制的进步[54]。同时，混合制造

结论

AM与PM的结合代表了高性能组件生产的一个关键转变，实现了前所未有的设计自由度、材料效率和功能定制。通过基于粉末的AM技术（包括PBF、BJ、DED、MJ和CS），制造商可以制造出复杂的几何形状、多材料系统和特定任务的架构，这些通过传统工艺难以或无法实现。每种技术都带来了独特的

CRediT作者贡献声明

Mikail Aslan：撰写——综述与编辑、原始草稿撰写、方法论、调查、数据整理、概念化。

未引用的参考文献

[70]

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。