金属粉末循环使用导致的成分及打印件性能变化

相比于传统制造方法，粉末床熔融技术成本较高，其中粉末成本占据了重要部分。粉末床增材制造存在一个显著的特点：即使仅成形一个零件，也需根据零件高度准备能覆盖成形仓相应高度的金属粉末（对于有供粉仓的成形设备，同样需将金属粉末填充至所需高度），粉末利用率并不高。有研究发现，单次粉末床增材制造时仅有质量分数２％～３％的粉末熔化为金属部件，可见将粉末回收进行重复使用是降低成本、缩短生产周期的最有效的手段。

然而，重复使用的粉末每次成形均会造成部分粉末质量变差，其物理、化学特性不可避免地在重复循环使用中发生一定变化。因此，有必要对其重复用于增材制造是否会导致零件性能下降进行验证，尤其是将粉末循环制件用于质量要求较高的航空航天和某些生物医学等风险较高的行业时。来自中国航发的研究人员，结合增材制造领域金属粉末的研究进展，选取近年来业内研究较多的316L不锈钢、Ti6Al4V和IN718合金3种粉末材料，对循环使用过程中粉末的化学性能、物理性能、制件性能变化进行了概述，并基于民用航空零部件增材制造需求，分析了金属粉末循环使用时存在的若干问题，提出了解决思路。

一. 化学成分的变化

1. 316L不锈钢粉末

316L不锈钢粉末与其他金属粉末最明显的区别为其表面存在一层SiO2氧化层，随着不断的重复使用，粉末表面氧含量上升，氧化层厚度增加，铬、锰、铁元素等向粉末表面扩散，氧化层成分由SiO2转变为MnCr2O4。多次重复使用后，粉末中一些原始元素，如铬、镍、锰、磷、硫、氮等轻微增加，碳、铁、钼、硅等略有下降，但从统计学角度而言，各元素变化均在测量误差范围内。此外，不规则、粗糙颗粒表面的硅、镍、硫、氧含量在多次重复使用后有所增加。

诸多研究表明，316L不锈钢粉末元素的整体变化比较微小，可以近似认为其基本保持不变，这可能是由于粉末表面氧化层的存在阻碍了部分元素的变化。颗粒表面出现的一些非氧化物组成元素，则是因部分金属粉末在激光作用下局部熔化后发生成分偏析所致。

2. Ti6Al4V合金粉末

Ti6Al4V合金粉末主要应用激光选区熔化（SLM）和电子束选区熔化（EBM）两种粉末床熔融技术成形，其成分研究主要集中于氧、氮、铝、钒等元素的变化。在循环使用过程中，EBM成形用Ti6Al4V合金粉末中氧元素含量有所增加，而SLM成形时各元素含量基本保持不变。

3. IN718高温合金粉末

近年来有关IN718高温合金增材制造工艺的研究数量有所增加，然而其粉末循环使用相关报道较少，仅有SLM、EBM、LMD修复等3种方式少量涉及。

SLM成形用IN718高温合金粉末在循环使用时，化学成分基本无明显变化，因具有高纯氩气保护气氛，在不添加新粉末的情况下可重复使用10次以上，添加新粉末时可重复使用达38次。但也存在氧元素含量上升，重复使用次数减少的情况。

综上所述，粉末循环使用过程中应重点关注氧元素的含量变化，虽然有研究表明成形件中的氧含量低于粉末原料的，但粉末表面氧化物的增加会影响粉末对激光的吸收，从而影响成形质量。此外，在粉末循环使用过程中还需对其中的亲氧元素和易烧损元素进行监控。

二. 物理性能的变化

在粉末粒度方面，上述3种材料无论通过SLM还是EBM方式成形，平均粒径均增大，整体粒度分布变窄或基本不变。其主要原因为铺粉时小颗粒填充至大颗粒间隙中，随着成形的不断进行，小颗粒逐渐消耗减少；而成形过程中的飞溅、黏连、重熔等使得大颗粒数量增加。已有研究表明，不锈钢粉末多次使用后颗粒长径比增加，形状不规则颗粒数量上升，且存在较多的附属颗粒和黏结颗粒。随着重复使用次数的增加，卫星球的数量先减少后增加，但也有多次使用后卫星球数量仍不断减少的报道。

打印过程中产生的飞溅

在粉末形貌方面，EBM成形用Ti6Al4V和IN718合金粉末在多次成形后明显出现球形度下降、表面粗糙度增大的现象，甚至出现拉长和变形颗粒；SLM成形方式下，颗粒表面仅在使用次数较多时变得更为粗糙，球形度基本无变化；而部分316L不锈钢粉末在重复使用后出现球形度提高、表面更加光滑的现象，这可能是由于增材制造过程中的熔化和凝固使一些原本受热影响粗糙化的颗粒表面受到破坏所致。

3D打印的IN718零件

鉴于重复使用后粉末中小颗粒数量减少、卫星颗粒占比降低，其流动性普遍得到提高；但当使用次数过多，卫星颗粒数量再次上升时，流动性提高的趋势会有所减弱直至稳定。

此外，316L不锈钢粉末在循环使用过程中出现了磁性颗粒，并且含有大量细小的δ铁素体晶粒和一些完全或几乎完全奥氏体化的单晶粉末颗粒，而原始粉末中仅存在多晶奥氏体颗粒。推测相变是不锈钢粉末磁性发生变化的原因，在重复使用过程中需要将带有磁性的金属粉末进行筛选去除。研究人员在IN718合金粉末重复使用过程中也有类似发现，具体原因尚需进一步研究。由于磁性颗粒的存在会导致粉末团聚，降低铺粉质量，如何避免该现象将成为未来增材制造粉末循环利用的一个重要研究方向。

三. 成形件力学性能的变化

随着循环使用次数的增加，粉末流动性、表面形貌和化学成分等均发生一定变化，成形件的力学性能亦会受到影响。目前，相关研究主要集中在拉伸性能、疲劳性能和冲击性能等方面。

3种粉末成形件力学性能随循环使用次数的变化

316L不锈钢、Ti6Al4V和IN718合金3种粉末循环使用后成形件的拉伸性能与原始粉末制件的相差不大，抗拉强度有时呈上升趋势；Ti6Al4V合金成形件的疲劳性能虽然整体没有显著变化，但高循环应力条件下表现出较高的疲劳寿命；IN718合金成形件的断裂韧性和断裂应变变化较大，但与重复使用次数并不存在明显的关联性。

Ti6Al4V第1、5、10、15批次的零件拉伸性能数据

综上，粉末多次重复使用并不会使成形件拉伸性能明显下降。成形件性能与内部缺陷有关。目前其他性能与粉末重复使用的相关研究十分有限，也没有建立缺陷与粉末重复使用次数的关系，因此无法表明粉末重复使用是否会导致其他性能或波动程度的变化。

金属粉末在源头上决定了增材制造的成本和产品质量，充分开展粉末循环使用研究对于控制成本、保障产品质量稳定性至关重要。本文综述了该领域应用最多的三种材料在重复使用过程中发生的物理化学以及打印件性能的变化情况，并为民用航空零部件增材制造需求提出了解决思路。

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