激光選區熔融高溫合金粉末的循環利用

原文發表于《科技導報》2025 年第21 期 《 激光選區熔融高溫合金粉末的循環利用 》

激光選區熔融作為金屬增材制造技術的典型代表，在航空航天、生物醫療及能源領域獲得了產業化應用。高溫合金因其優異的高溫強度、抗氧化性及蠕變性能，成為激光選區熔融技術制備耐高溫部件的首選材料。本文圍繞高溫合金粉末在激光選區熔融過程中循環利用的研究進展，系統分析循環過程中粉末物理化學特性的演化規律，闡明循環粉末對成形件缺陷形成與力學性能的影響。綜述了高效回收與再生方法的技術突破與應用案例，并展望了該領域未來的研究重點與發展方向。

激光選區熔融（SLM）作為金屬增材制造（AM）技術的典型代表，憑借其逐層疊加、近凈成形的特點，在航空航天、生物醫療及能源領域實現了復雜結構部件的定制化生產，推動了制造業的革新。該技術通過高能激光束選擇性熔化金屬粉末床，逐層構建三維實體，突破了傳統AM對幾何復雜性的限制，尤其適用于高性能高溫合金部件的制備。AM過程中，粉末的循環使用可以通過篩分、混合、干燥等步驟實現，以提高材料利用率并降低生產成本，而回收再制粉則涉及對使用后的粉末進行回收、分類、預處理和凈化等工藝，以確保其性能符合AM的要求。這2個階段相輔相成，共同構成了高溫合金粉末循環利用的技術體系。

據統計，SLM成型過程中僅有5%~30%的粉末被完全熔化，剩余粉末若未經有效回收，不僅造成高昂的原材料浪費，還會因粉末氧化和污染引發批次穩定性問題。此外，粉末粒徑分布的變化（如細粉比例增加）會降低鋪粉均勻性，導致熔池不穩定和零件內部缺陷。

金屬粉末是AM制備高致密、高性能高溫合金部件的關鍵材料。霧化法中的氣霧化法、等離子旋轉電極霧化法（PREP）和等離子霧化法可制備球形金屬粉末，且粉末的化學成分均勻、氧含量低、球形度高，尤其適用于AM制造。

PREP是將高溫等離子槍作為熱源，利用等離子弧將高速旋轉的金屬棒料熔化，并利用離心力將熔融金屬甩出，形成微小液滴，最終在保護氣氛的冷卻下凝固成金屬粉末的一種技術。

真空感應熔煉氣霧化（VIGA）的基本原理是合金在真空室的坩堝中完成熔化、精煉和脫氣過程。為了減少霧化過程中粉末的氧化和雜質的引入，通常采用惰性氣體（氬氣或氮氣）作為霧化介質。

電極感應熔煉氣霧化法（EIGA）是一種通過耦合電極感應熔煉技術與高壓氣體霧化工藝制備金屬粉末的先進方法。該技術避免了傳統霧化過程中坩堝對熔融金屬的污染，特別適用于制備高純度、高活性（如鈦合金、高溫合金）及易氧化金屬粉末。

等離子火炬霧化技術（PA）以金屬絲材為原材料，利用等離子火炬產生的聚焦等離子射流將金屬絲材熔化，形成微小金屬粉末，由于采用非接觸式霧化過程，因此可減少氧化，獲得高純度的金屬粉末。

這些技術各有優缺點（表1）。PREP法在惰性環境中制得超高純凈度粉末，但細粉收率極低且成本居高，專用于航空航天鈦/高溫合金等嚴苛純度領域；VIGA法細粉收率高，成本可控，但易引入陶瓷夾雜且流動性較差，成為不銹鋼/模具鋼工業級應用的優選；EIGA法對高活性金屬兼容性強，細粉收得率高，但粒徑控制不穩易生衛星粉；而PA法細粉收得率突出，卻受限于絲材預加工成本及氧含量問題。

表1 4種常見的制粉方法比較

1 高溫合金粉末循環過程中的性能演變機制

AM用粉末材料的性能指標眾多，相互之間的關系如圖1所示。粉末重復使用最為理想的情況是回收粉末（或原始粉末和回收粉末的混合物）的物理、化學性能與原始粉末無顯著差異，且成形件性能與原始粉末制件相比也沒有明顯差異。

圖1 AM金屬粉末性能間的關系

1.1 物理性能變化

高溫合金粉末在SLM循環利用過程中，因經歷多次熱循環、氧化及機械應力作用，其物理性能（包括顆粒形貌、氧含量、流動性及粒徑分布等）呈現退化趨勢。這些退化不僅影響粉末的工藝適應性，還會導致零件內部缺陷與性能衰減。

宋巍等研究發現，GH4169合金粉末在SLM成形過程中，隨著使用次數的增加，衛星粉明顯增多，合金粉末的流動性由0次的14.85 s/（50 g）增加到13次的18.62 s/（50 g）。粉末不同循環使用次數下的表面顯微組織如圖2所示。

圖2 不同循環使用次數下的粉末顯微組織

在循環過程中細粉通過熔池邊緣聚合粗化及小顆粒優先熔融消耗，導致粒徑分布向粗端偏移。Ardila等研究了IN718粉末在重復利用后粉末性能變化，粉末的顯微組織及粒徑變化如圖3所示。

圖3 粉末的顯微組織及粒徑變化

粉末床預熱高溫引發輕微燒結，使回收時顆粒難以分離，進一步加劇形貌不規則化。在Cordova等的研究中，通過新舊粉混合的方式將IN718粉末重復利用了38次，可以觀察到粉末出現伸長和衛星粉形成。Rock等通過連續10次循環使用IN718合金粉末（未補充新粉）發現，粉末重復回收導致粒徑分布寬化、氧含量累積及室溫下磁性上升，同時流動性下降。Sendino等進一步觀察到IN718循環粉末的顆粒形貌發生變異（如衛星粉附著及表面不規則化）。

綜合而言，高溫合金粉末在循環使用中呈現粒徑分布寬化與氧含量增加的趨勢，其中粒徑變化幅度因合金類型和循環次數而異；流動性呈現“先升后降”的特性。

1.2 化學特性變化

IN718粉末的合金化成分具有較好的熱穩定性，可以經歷多次重復使用循環，而不會發生合金成分的明顯變化。Nandwana等回收再利用了6次IN718高溫合金粉末。

高溫合金粉末在SLM循環使用過程中，粉末在熔池附近經歷局部高溫，引發活性元素氧化，形成穩定的氧化物層。Gruber等發現多次重復利用的IN718粉末中O含量略有增加。同時，會生成一種富Al和O的納米顆粒并附著于粉末顆粒表面。同時，粉末中的N含量在整個循環周期中保持穩定。Gruber等對SLM過程中4種狀態的IN718粉末（新粉、循環粉末、溢出粉和飛濺粉）在形態、流動性和物理化學性質方面進行了表征。研究表明，經過20次循環使用后的粉末及AM過程中產生的飛濺粉末中的O含量明顯增加，且在一些飛濺顆粒中發現了Al2O3斑點，如圖4所示。

圖4 IN718粉末在不同狀態下的SEM/BSE圖像及含有氧化物斑點區域的EDS/SEM分析

重復使用的高溫合金粉末中成分的變化似乎僅限于O含量的增加，而其他元素，如C、N、H的變化則是微乎其微。Lee等研究發現，在SLM中重復使用IN718粉末會增加粒度和O含量，導致形態改變。粉末中的Al、Ti、O和N元素的成分變化如圖5所示。Paccou等系統研究了IN718合金粉末的循環再利用可行性。郭雨萌等研究表明，GH3536粉末在循環20次后，化學成分無明顯變化，僅O和N元素含量略微增加。

圖5 Al、Ti、O和N元素含量（質量分數）隨循環次數的變化

高溫合金中的Ni、Cr、Al、Fe和Ti等元素在氧氣存在下極易形成氧化物，這可能造成NiO、Cr2O3、Al2O3、FeO/Fe2O3或TiO/TiO2等氧化物的形成。其中，Al2O3形成的Gibbs自由能是這些氧化物中最低的，使其具有最高的穩定性。高溫合金粉末O含量的升高會導致原始顆粒邊界缺陷（PPBs）的形成，從而對力學性能產生不利影響。在SLM工藝中，對于不同的AM工藝和不同類型的粉末，其性能的變化也是不同的。

1.3 粉末激光吸收率的變化

在高功率激光加工中，吸收率可以表示為

由式（1）可知，材料的吸收率主要受激光的波長、材料的光學常數影響。研究表明，粉末粒徑、球形度及表面氧化狀態會顯著影響激光吸收率。

顆粒尺寸對激光吸收有重要影響，Yang等通過射線衍射法研究了粉末顆粒尺寸與激光吸收之間的關系，研究發現，粉末的激光吸收率與顆粒大小呈負相關（圖6）。

圖 6 10~60 μm 粉末床的激光吸收率及激光吸收輻照度

金屬粉末的幾何形態也會對激光吸收率造成一定影響，嚴深平等研究發現，球形顆粒表面光滑的結構特性促進了入射激光的多重反射效應，從而提升了能量耦合效率；同時規則球形顆粒在粉末床中可實現更均勻的密堆積狀態，減少光路空隙造成的能量損失，因此吸收率也增加。

金屬粉末的表面氧化物也會影響粉末顆粒的激光吸收率，Do?u等研究了IN939合金在SLM過程中原始粉末與飛濺粉末的激光吸收率變化及其影響。

綜合上述因素，高溫合金粉末在循環使用過程中，激光吸收率隨循環次數的增加呈現非線性演化規律。在循環初期，粉末表面氧化層逐漸增厚，如Gruber等在IN718循環粉末中觀察到的富Al2O3納米顆粒的形成，這與Do?u等報道的飛濺粉末因氧化而提升吸收率的結論一致。

2 粉末循環對高溫合金組織和性能的影響

2.1 顯微組織

高溫合金粉末循環利用會影響合金構件的性能。He等研究表明，原始粉末和循環粉末制備的構件均呈現典型非平衡凝固特征，晶粒取向和核平均錯向（KAM）分析表明，循環粉末未顯著改變晶粒尺寸或取向分布，主要源于不規則粉末顆粒和打印過程中缺陷的累積。

重復使用IN718或IN738粉末時，其宏觀晶粒結構未發生明顯變化。Bhowmik等研究發現，采用原始粉末和重復粉末打印的IN718樣品顯示出連續的γ基體和花形γ′沉淀，以及相似的紋理和晶粒尺寸，粉末反極圖（IPF）如圖7（a）和（c）所示。然而，亞微觀尺度的位錯密度和再結晶行為存在明顯差異，采用重復使用粉末制備的IN718樣品的KAM高于未使用的粉末，如圖7（b）和（d）所示，這可能意味著位錯密度的增加。

Yi等通過X射線CT結果發現，重復使用的IN718粉末可以增加孔隙的球形度和零件的孔隙度，這是因為在重復使用的IN718粉末中，大顆粒內部存在被困氣體。

圖7 IN718原始粉末和重復使用粉末制備樣品的晶粒取向和KAM圖

2.2 力學性能

重復使用的IN718粉末進行打印時，硬度有一定的降低。Gruber等發現，采用重復使用的IN718粉末制備的樣品硬度從334HV略微下降到329HV。Choi等研究發現，使用原始和重復使用的IN718粉末制備的樣品具有幾乎相同的極限抗拉強度、屈服強度和伸長率。He等研究發現，使用6次循環后的Hastelloy X回收粉末制備的樣品塑性降低了20.8%。

熱處理后的IN718樣品的高溫拉伸性能如圖8所示，前3次粉末重復使用循環可以提高屈服強度和極限抗拉強度，并保持伸長率。而在650℃時，由于擴散速率的增加，氧化鋁對位錯運動的阻滯作用減弱，導致屈服強度和極限抗拉強度幾乎不變。

圖8 重復使用IN718粉末制備樣品的高溫拉伸性能

研究發現，用原粉末制備的樣品在550℃和650℃時具有更好的蠕變性能，然而，在700℃測試時，觀察到相反的趨勢，如圖9所示。

圖9 IN718原始粉末和重復使用粉末制備樣品的蠕變性能

在疲勞性能方面，Paccou等研究發現，當塑性振幅較小（?εp/2 = 0.00004）時，用循環粉末打印IN718的疲勞壽命略有降低，但這種差異甚至小于相同參數下制備的不同部件的差異。Chen等發現，重復使用IN738粉末會降低構件的疲勞壽命。總體上，粉末循環使用對樣品力學性能的影響如表2所示。

表2 粉末循環使用對樣品力學性能的影響

循環過程中粉末氧含量普遍上升，形成Al2O3/Cr2O3等晶界氧化物，導致塑性及疲勞性能下降。高循環次數下位錯密度顯著增加，通過釘扎晶界和阻礙滑移，部分抵消強度損失。孔隙率變化則因合金而異，但均通過改變應力集中系數與裂紋萌生點密度，影響材料的疲勞極限與斷裂韌性。

3 高溫合金粉末回收與再生方法

根據Thomas等對AM經濟性成本研究的系統性分析，AM零件的總成本Cp可定義為

Hopkinson等用下式表示AM的部分成本

在AM過程中直接使用原始粉末將顯著提升材料成本系數Cm及單件材料用量Mu，導致AM總成本Cp大幅上升。可見，未熔粉末的循環利用是降低AM成本的重要路徑。

3.1 粉末回收策略

粉末再利用的方法主要有3種，如圖10所示。

• 第一種方法稱為單批次回收，在每次循環過程后不添加任何原始粉末，并在每個周期后對粉末進行篩分以去除燒結團聚物或變形的粉末。

• 第二種方法稱為多次更新法，其中使用過的粉末在每次循環后與一定量的原始粉末混合。

• 第三種策略是前2種策略的綜合應用。在前若干次AM過程中不添加新的粉末，僅使用經篩分處理的再利用粉末。經過3次工藝后，通過添加原始粉末補償損耗粉末。

圖 10 3 種不同粉末回收策略

然而，當使用多次更新方法時，因為粉末中添加了不同批次的原始粉末，粉末的可追溯性也隨之消失，這在航空航天和生物醫學等可追溯性至關重要的行業中是不可取的。Lutter–Günther等提出了一種新的粉末再利用策略，他們認為需要將粉末分批儲存管理，以獲得回收粉末可追溯的歷史信息，然后將相同年限的廢舊粉末混合使用，以控制在重復使用過程中的粉末變化。

3.2 等離子球化技術

有研究表明，等離子體球化可以改變金屬粉末的理化性質。該工藝可以明顯提高粉末顆粒的球形度、粉末的流動性和密度，甚至可以降低氧含量。劉佳偉等采用機械合金化及等離子球化處理制備出TiCp/GH3536復合粉末，經過球化處理后復合粉末的球形度和粒度分布均勻性得到改善。Garboczi等通過電感耦合等離子體（ICP）球化工藝來修復循環使用的IN718粉末，經過球 化處理后粉末的松裝密度和振實密度均升高。

圖11為等離子體球化利用電感耦合使氬氣電離，電離的氬氣可以與其他氣體如氦、氮、氫、氧或空氣混合以產生惰性、還原性或氧化性氣氛。等離子體球化處理通過熔化對顆粒產生致密化作用，并通過蒸發表面雜質產生凈化作用。

圖11 等離子體球化工藝示意

粉末的進料速率對粉末的物理性能有很大的影響。Massard等研究發現，在進料速率較小時，細顆粒總蒸發量較大，會使粉末轉向更大的顆粒。隨著進料速率增大，顆粒更容易碰撞融合成更大的顆粒，如圖12所示。

圖12 球化過程中所涉及的不同現象的趨勢與粉末進料量的關系

3.3 粉末表面改性技術

為突破粉末循環利用的瓶頸，表面改性技術成為優化粉末性能、延長服役周期的關鍵研究方向。Lim等通過酸處理對IN718粉末進行表面改性，顯著改善了粉末的流動性。Lee等提出了一種金屬粉末表面改性工藝，稱為表面改性和增強移植（SMART），該工藝可以對不規則粉末進行球化、表面改性或合金化，SMART工藝的原理示意如圖13所示。

圖13 SMART工藝原理示意

采用SMART工藝，可以使增強元素或顆粒均勻分布在粉末表面，更有利于AM零件機械性能的均勻化。Lee等通過SMART改性方法在IN625中引入質量分數 10%TiCp particles（TiCps）使得IN625在保持較好的流動性情況下提高了激光吸收率和球形度，并減少了缺陷的形成，提高了打印制件的力學性能。

在高溫合金粉末的循環利用過程中，粉末再生技術并非簡單的“重新生產”，而是一種通過等離子球化、粉末表面改性等工藝手段，將加工過程中產生的廢料轉化為高質量粉末材料的先進制造方式。這種技術不僅能夠有效降低資源消耗，還能顯著提升材料性能和降低成本。但在評估粉末再生技術的經濟性時，需綜合考慮原材料價格、能源消耗、設備投入、工藝復雜度以及市場供需等多方面因素。

國內外AM用高溫合金粉末的標準存在明顯差異。如表3所示，國內雖然已發布部分相關標準，但缺乏統一性和系統性，且在技術要求、制備工藝及循環使用等方面仍需完善。相比之下，國外標準體系更為成熟，能夠更好地支持產業化發展。

表3 國內外AM用粉末標準對比與分析

4 結論

SLM技術在實現復雜結構設計和快速制造方面展現出巨大優勢。然而，由于高成本的原材料消耗以及對環境的影響，粉末循環利用成為SLM過程中一個重要的研究方向。

我們選取高溫合金粉末作為分析對象，回顧了粉末再利用對粉末特性和打印件性能演變的影響，得出以下結論：

（1）SLM循環過程中，未熔化的高溫合金粉末經歷熱循環、氧化和機械應力作用，導致物理化學性能退化。粉末回收利用對粉末中合金成分影響不大，但氧含量逐漸增加，并在粉末表面形成Al2O3氧化相。

（2）SLM工藝中高溫合金粉末的循環使用對構件的顯微組織未產生明顯改變，但粉末反復回收會導致顆粒表面氧化加劇和流動性降低，進而影響成形質量。

（3）為了保證AM產品的質量并延長重復使用粉末的壽命，必須在每次操作前準確評估粉末特性并相應調整工藝參數。

基于上述研究不足與突破點，亟須通過材料創新、工藝革新、標準建設的協同突破：

（1）在粉末特性方面，未來研究需聚焦于合金成分創新與制備工藝優化。

（2）針對粉末反復回收導致顆粒表面氧化加劇和流動性降低的問題，需提升回收效率，突破現有技術瓶頸。

（3）針對人工檢測滯后性以及不同合金粉末循環后性能變化的差異性，需要建立標準化的表征方法和高溫合金粉末回收標準。

綜上所述，研發并突破粉末循環再生技術，深化氧含量控制與形貌恢復機制研究，構建覆蓋“回收—再生—質控—應用”全鏈條的標準體系，建立一個集粉末制備工藝優化、低能耗再生工藝、粉末特性原位表征及構件全生命周期性能驗證于一體的粉末循環再利用系統，為AM產業的綠色化發展與資源利用率提升注入持續動能。

本文作者：譚黎明、呂金、張毅、王子、馬鑫、張海龍、羅一葦、王俊程、蘇捷、文錦溶、黃嵐、劉鋒

作者簡介：譚黎明，中南大學粉末冶金研究院、中南大學粉末冶金全國重點實驗室，副研究員，研究方向為數據驅動高溫合金和涂層材料高效設計、制造（鑄造、粉末冶金、涂層、增材制造）及其服役行為；黃嵐（通信作者），中南大學粉末冶金研究院、中南大學粉末冶金全國重點實驗室，教授，研究方向為融合大數據、機器學習、高通量試驗和模擬計算等方式加速新型高溫合金材料的開發，結合傳統粉末冶金工藝和增材制造開展材料制備。

文章來 源 ： 譚黎明, 呂金, 張毅, 等. 激光選區熔融高溫合金粉末的循環利用[J]. 科技導報, 2025, 43(21): 87?101 .

本文有刪改，

內容為【科技導報】公眾號原創，歡迎轉載
白名單回復后臺「轉載」

《科技導報》創刊于1980年，中國科協學術會刊，主要刊登科學前沿和技術熱點領域突破性的研究成果、權威性的科學評論、引領性的高端綜述，發表促進經濟社會發展、完善科技管理、優化科研環境、培育科學文化、促進科技創新和科技成果轉化的決策咨詢建議。常設欄目有院士卷首語、科技新聞、科技評論、專稿專題、綜述、論文、政策建議、科技人文等。