相比于傳統(tǒng)制造方法，粉末床熔融技術(shù)成本較高，其中粉末成本占據(jù)了重要部分。粉末床增材制造存在一個(gè)顯著的特點(diǎn)：即使僅成形一個(gè)零件，也需根據(jù)零件高度準(zhǔn)備能覆蓋成形倉(cāng)相應(yīng)高度的金屬粉末(對(duì)于有供粉倉(cāng)的成形設(shè)備，同樣需將金屬粉末填充至所需高度)，粉末利用率并不高。有研究發(fā)現(xiàn)，單次粉末床增材制造時(shí)僅有質(zhì)量分?jǐn)?shù)2%～3%的粉末熔化為金屬部件，可見(jiàn)將粉末回收進(jìn)行重復(fù)使用是降低成本、縮短生產(chǎn)周期的最有效的手段。
然而，重復(fù)使用的粉末每次成形均會(huì)造成部分粉末質(zhì)量變差，其物理、化學(xué)特性不可避免地在重復(fù)循環(huán)使用中發(fā)生一定變化。因此，有必要對(duì)其重復(fù)用于增材制造是否會(huì)導(dǎo)致零件性能下降進(jìn)行驗(yàn)證，尤其是將粉末循環(huán)制件用于質(zhì)量要求較高的航空航天和某些生物醫(yī)學(xué)等風(fēng)險(xiǎn)較高的行業(yè)時(shí)。來(lái)自中國(guó)航發(fā)的研究人員，結(jié)合增材制造領(lǐng)域金屬粉末的研究進(jìn)展，選取近年來(lái)業(yè)內(nèi)研究較多的316L不銹鋼、Ti6Al4V和IN718合金3種粉末材料，對(duì)循環(huán)使用過(guò)程中粉末的化學(xué)性能、物理性能、制件性能變化進(jìn)行了概述，并基于民用航空零部件增材制造需求，分析了金屬粉末循環(huán)使用時(shí)存在的若干問(wèn)題，提出了解決思路。
化學(xué)成分的變化
316L不銹鋼粉末
316L不銹鋼粉末與其他金屬粉末最明顯的區(qū)別為其表面存在一層SiO2氧化層，隨著不斷的重復(fù)使用，粉末表面氧含量上升，氧化層厚度增加，鉻、錳、鐵元素等向粉末表面擴(kuò)散，氧化層成分由SiO2轉(zhuǎn)變?yōu)镸nCr2O4。多次重復(fù)使用后，粉末中一些原始元素，如鉻、鎳、錳、磷、硫、氮等輕微增加，碳、鐵、鉬、硅等略有下降，但從統(tǒng)計(jì)學(xué)角度而言，各元素變化均在測(cè)量誤差范圍內(nèi)。此外，不規(guī)則、粗糙顆粒表面的硅、鎳、硫、氧含量在多次重復(fù)使用后有所增加。
諸多研究表明，316L不銹鋼粉末元素的整體變化比較微小，可以近似認(rèn)為其基本保持不變，這可能是由于粉末表面氧化層的存在阻礙了部分元素的變化。顆粒表面出現(xiàn)的一些非氧化物組成元素，則是因部分金屬粉末在激光作用下局部熔化后發(fā)生成分偏析所致。
Ti6Al4V合金粉末
Ti6Al4V合金粉末主要應(yīng)用激光選區(qū)熔化(SLM)和電子束選區(qū)熔化(EBM)兩種粉末床熔融技術(shù)成形，其成分研究主要集中于氧、氮、鋁、釩等元素的變化。在循環(huán)使用過(guò)程中，EBM成形用Ti6Al4V合金粉末中氧元素含量有所增加，而SLM成形時(shí)各元素含量基本保持不變。
IN718高溫合金粉末
近年來(lái)有關(guān)IN718高溫合金增材制造工藝的研究數(shù)量有所增加，然而其粉末循環(huán)使用相關(guān)報(bào)道較少，僅有SLM、EBM、LMD修復(fù)等3種方式少量涉及。
SLM成形用IN718高溫合金粉末在循環(huán)使用時(shí)，化學(xué)成分基本無(wú)明顯變化，因具有高純氬氣保護(hù)氣氛，在不添加新粉末的情況下可重復(fù)使用10次以上，添加新粉末時(shí)可重復(fù)使用達(dá)38次。但也存在氧元素含量上升，重復(fù)使用次數(shù)減少的情況。
綜上所述，粉末循環(huán)使用過(guò)程中應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注氧元素的含量變化，雖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會(huì)影響粉末對(duì)激光的吸收，從而影響成形質(zhì)量。此外，在粉末循環(huán)使用過(guò)程中還需對(duì)其中的親氧元素和易燒損元素進(jìn)行監(jiān)控。
物理性能的變化
在粉末粒度方面，上述3種材料無(wú)論通過(guò)SLM還是EBM方式成形，平均粒徑均增大，整體粒度分布變窄或基本不變。其主要原因?yàn)殇伔蹠r(shí)小顆粒填充至大顆粒間隙中，隨著成形的不斷進(jìn)行，小顆粒逐漸消耗減少;而成形過(guò)程中的飛濺、黏連、重熔等使得大顆粒數(shù)量增加。已有研究表明，不銹鋼粉末多次使用后顆粒長(zhǎng)徑比增加，形狀不規(guī)則顆粒數(shù)量上升，且存在較多的附屬顆粒和黏結(jié)顆粒。隨著重復(fù)使用次數(shù)的增加，衛(wèi)星球的數(shù)量先減少后增加，但也有多次使用后衛(wèi)星球數(shù)量仍不斷減少的報(bào)道。
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顯出現(xiàn)球形度下降、表面粗糙度增大的現(xiàn)象，甚至出現(xiàn)拉長(zhǎng)和變形顆粒;SLM成形方式下，顆粒表面僅在使用次數(shù)較多時(shí)變得更為粗糙，球形度基本無(wú)變化;而部分316L不銹鋼粉末在重復(fù)使用后出現(xiàn)球形度提高、表面更加光滑的現(xiàn)象，這可能是由于增材制造過(guò)程中的熔化和凝固使一些原本受熱影響粗糙化的顆粒表面受到破壞所致。
鑒于重復(fù)使用后粉末中小顆粒數(shù)量減少、衛(wèi)星顆粒占比降低，其流動(dòng)性普遍得到提高;但當(dāng)使用次數(shù)過(guò)多，衛(wèi)星顆粒數(shù)量再次上升時(shí)，流動(dòng)性提高的趨勢(shì)會(huì)有所減弱直至穩(wěn)定。
此外，316L不銹鋼粉末在循環(huán)使用過(guò)程中出現(xiàn)了磁性顆粒，并且含有大量細(xì)小的δ鐵素體晶粒和一些完全或幾乎完全奧氏體化的單晶粉末顆粒，而原始粉末中僅存在多晶奧氏體顆粒。推測(cè)相變是不銹鋼粉末磁性發(fā)生變化的原因，在重復(fù)使用過(guò)程中需要將帶有磁性的金屬粉末進(jìn)行篩選去除。研究人員在IN718合金粉末重復(fù)使用過(guò)程中也有類(lèi)似發(fā)現(xiàn)，具體原因尚需進(jìn)一步研究。由于磁性顆粒的存在會(huì)導(dǎo)致粉末團(tuán)聚，降低鋪粉質(zhì)量，如何避免該現(xiàn)象將成為未來(lái)增材制造粉末循環(huán)利用的一個(gè)重要研究方向。
成形件力學(xué)性能的變化
隨著循環(huán)使用次數(shù)的增加，粉末流動(dòng)性、表面形貌和化學(xué)成分等均發(fā)生一定變化，成形件的力學(xué)性能亦會(huì)受到影響。目前，相關(guān)研究主要集中在拉伸性能、疲勞性能和沖擊性能等方面。
316L不銹鋼、Ti6Al4V和IN718合金3種粉末循環(huán)使用后成形件的拉伸性能與原始粉末制件的相差不大，抗拉強(qiáng)度有時(shí)呈上升趨勢(shì);Ti6Al4V合金成形件的疲勞性能雖然整體沒(méi)有顯著變化，但高循環(huán)應(yīng)力條件下表現(xiàn)出較高的疲勞壽命;IN718合金成形件的斷裂韌性和斷裂應(yīng)變變化較大，但與重復(fù)使用次數(shù)并不存在明顯的關(guān)聯(lián)性。
綜上，粉末多次重復(fù)使用并不會(huì)使成形件拉伸性能明顯下降。成形件性能與內(nèi)部缺陷有關(guān)。目前其他性能與粉末重復(fù)使用的相關(guān)研究十分有限，也沒(méi)有建立缺陷與粉末重復(fù)使用次數(shù)的關(guān)系，因此無(wú)法表明粉末重復(fù)使用是否會(huì)導(dǎo)致其他性能或波動(dòng)程度的變化。
END
金屬粉末在源頭上決定了增材制造的成本和產(chǎn)品質(zhì)量，充分開(kāi)展粉末循環(huán)使用研究對(duì)于控制成本、保障產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定性至關(guān)重要。本文綜述了該領(lǐng)域應(yīng)用最多的三種材料在重復(fù)使用過(guò)程中發(fā)生的物理化學(xué)以及打印件性能的變化情況，并為民用航空零部件增材制造需求提出了解決思路。
