《Advanced Engineering Materials》：Innovative Processing of Compacted Waste Aluminum Alloy Powders via Controlled Remelting and Solidification
编辑推荐：
本研究聚焦于增材制造(AM)中因粒径和表面氧化问题而不适用于激光粉末床熔化(LPBF)的AlSi10Mg合金废粉的回收难题。研究人员通过粉末冶金(P/M)方法，在不同压力(30-100 kN)下压实废粉，随后进行电弧重熔和吸铸，并利用阶梯铜模研究不同冷却速率的影响。结果表明，中等压实载荷(50-80 kN)结合较高冷却速率，可细化显微结构、降低孔隙率并提高重熔压坯的显微硬度，为废铝粉的高性能回收提供了一条创新且可持续的工艺路线。
在追求“净零排放”的全球气候行动背景下，轻质材料的需求日益增长，铝合金正是汽车和航空航天产业的宠儿。增材制造，特别是激光粉末床熔化，作为制造复杂轻质部件的关键技术，对金属粉末的质量要求近乎苛刻。然而，用于生产粉末的主流技术——气雾化法，不可避免地会产生大量不符合规格的“废粉”，它们或因粒径不合适，或因表面氧化严重，难以在LPBF中重复使用。据统计，高达65%的气雾化金属粉末可能因不符合规格而被浪费，这不仅带来了巨大的经济成本，也引发了严重的环境担忧。面对堆积如山的废粉，寻找高效、高附加值的回收方法，已成为提升增材制造可持续性的关键挑战。
为此，研究人员独辟蹊径，将目光投向了粉末冶金技术。他们提出了一种创新的“压实-重熔-控制凝固”工艺路线，旨在将那些原本要被丢弃的AlSi10Mg合金废粉“变废为宝”，转化为具有优异性能的致密材料。这项研究为解决增材制造领域的粉末浪费问题提供了一种全新的思路，其成果已发表于材料工程领域知名期刊《Advanced Engineering Materials》。
为开展研究，作者团队主要运用了以下几种关键技术方法：首先，对气雾化产生的AlSi10Mg合金粉末进行筛分，特意剔除了适用于LPBF的32-75 μm粒径范围，专门研究不适用于LPBF的废粉（D50为30 μm）。其次，在室温下使用单动模具，对不同粒径废粉施加四种不同的载荷（30, 50, 80, 100 kN）进行冷压，制备出“生坯”。接着，利用等离子电弧炉在氩气保护下对生坯进行重熔，并通过吸铸技术将熔体快速吸入具有阶梯直径（2, 3, 4, 5, 6 mm）的铜模中，以实现不同的冷却速率。在表征方面，结合CALPHAD（CALculation of PHAse Diagrams，相图计算）方法和差示扫描量热法分析了合金的凝固路径；通过光学显微镜和扫描电子显微镜（SEM）结合图像分析软件，系统表征了重熔后样品的枝晶间距、孔隙率、孔隙尺寸、密度及共晶分数；最后使用维氏硬度计测试了样品的显微硬度。
研究结果：
3.1 粉末特征：SEM（Scanning Electron Microscopy，扫描电子显微镜）显微照片显示，所研究的废粉具有较高的球形度，但也存在卫星颗粒。ICP-OES（Inductively Coupled Plasma Optical Emission Spectrometry，电感耦合等离子体发射光谱）化学分析证实粉末成分符合AlSi10Mg标准。SEM-EDS（Energy Dispersive Spectroscopy，能谱分析）点分析图表明，硅和其他合金元素在粉末颗粒内均匀分布，但颗粒外围存在明显的氧化层。
3.2 AlSi10Mg合金的压实特性：相对密度随压实压力增加而增加，在较高压力（≥ 450 MPa）下趋于稳定，表明超过了合金的屈服强度（~300 MPa），发生了塑性变形。与Al6061合金粉末相比，AlSi10Mg的压实密度较低，这归因于其初始填充密度更低。
3.3 通过CALPHAD和DSC确定凝固顺序：通过CALPHAD计算的Scheil（Gulliver-Scheil）模型和平衡模型预测了合金的凝固路径。Scheil模型预测的凝固开始和结束温度分别为598.9°C和558.7°C，范围较宽，更符合实际铸造Al-Si合金的微观偏析情况。DSC（Differential Scanning Calorimetry，差示扫描量热法）实验结果与Scheil预测存在差异，这归因于样品的实际成分、热历史以及冷却速率的影响。
3.4 孔隙形成和铸态显微结构：
- •
3.4.1 样品直径对凝固冷却速率和枝晶间距的影响：枝晶间距（λ）随样品直径增大而增加，因为直径越大，冷却速率（CR）和凝固速度（v）越低。在相同直径下，30 kN和100 kN压实的样品表现出更粗的枝晶间距，这可能是由于较高的孔隙率和较大的孔隙损害了热导率，导致冷却变慢。
- •
3.4.2 压实压力对孔隙率分数的影响：孔隙率分数通常随压实载荷增加而降低，直至80 kN。但在100 kN时，孔隙率反而高于80 kN。30 kN时孔隙率最高，且随直径增大而增加。这表明中等压力（50-80 kN）能有效减少气体裹挟，而压力过高（100 kN）可能因过度压实而阻碍重熔过程，导致孔隙增加。
- •
3.4.3 直径和压实载荷对孔隙特征的影响：在所有直径下，30 kN压坯的孔隙密度最高。平均孔隙尺寸随直径增大而增加。孔隙圆度通常在较小直径（3-4 mm）时较高，随直径增大而降低。高压力（80-100 kN）导致更小、更不规则的孔隙。
- •
3.4.4 重熔铸造压坯的显微硬度：显微硬度随压实载荷增加而提高，在50-80 kN达到峰值，然后在100 kN时下降。样品直径越小（冷却越快），硬度越高。中等载荷（50-80 kN）配合快速冷却，能产生更细的显微结构、更低的孔隙率和更高的硬度。研究还发现，冷却速率影响共晶硅的形态，快速冷却形成细小的硅纤维，有助于提高硬度；而慢速冷却则形成较粗的硅结构，导致硬度降低。
研究结论与重要意义：
本研究成功验证了通过“压实-重熔-控制凝固”这一创新工艺回收AlSi10Mg合金废粉的可行性。核心结论表明，中等压实载荷（50-80 kN）与较高的冷却速率相结合，是实现优异性能的关键。这种组合能有效细化枝晶结构，显著降低孔隙率（对于2 mm厚的样品，在50和80 kN下可达约0.1%），并大幅提升显微硬度。相比之下，压实不足（30 kN）会导致高孔隙率和粗大组织；而过度压实（100 kN）则会阻碍重熔过程，反而增加孔隙并降低硬度。此外，研究明确了样品尺寸（冷却速率）对最终微观结构和性能的决定性影响，更快的冷却能细化共晶硅形态，进一步强化材料。
这项研究的意义深远。首先，它为解决增材制造领域突出的粉末浪费问题提供了一条切实可行的高附加值回收路径，将“废料”转化为具有接近甚至优于传统铸造合金性能的“原料”，实现了真正的“升级回收”。其次，该工艺获得的低孔隙率水平与选择性激光熔化制造的合金相当，表明回收材料能满足高性能工业应用的要求。最后，研究揭示的工艺参数（压力、冷却速率）与微观结构、性能之间的量化关系，为优化回收工艺、定制材料性能提供了重要的理论指导和实践依据，有力地推动了增材制造全产业链向更高效、更环保、更可持续的方向发展。
