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粉末床熔融增材制造技術(shù)可快速成形復(fù)雜結(jié)構(gòu)零件，尺寸精度高，在諸多領(lǐng)域得到廣泛關(guān)注，但相比于傳統(tǒng)制造方法，其成本較高；金屬粉末的循環(huán)使用則可以有效降低制造成本。結(jié)合增材制造金屬粉末的研究進(jìn)展，對(duì)常用的316L不銹鋼、Ti6A14V合金和IN718合金粉末在循環(huán)使用過(guò)程中的化學(xué)性能、物理性能和成形件性能變化進(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。

1、增材制造金屬粉末研究進(jìn)展

金屬粉末作為金屬增材制造的原材料，其化學(xué)性質(zhì)及粒徑分布、孔隙率、流動(dòng)性和松裝密度等物理性能對(duì)成形件表面粗糙度、力學(xué)性能等有著重要影響。金屬粉末各元素對(duì)增材制造成形件最終性能的影響多是進(jìn)行定性分析，改變某些化學(xué)元素的含量有利于得到更好的力學(xué)性能和成形性。

粉末粒度是增材制造工藝優(yōu)化和參數(shù)調(diào)整的重要依據(jù)?，F(xiàn)階段采用的氣霧化制粉方式會(huì)導(dǎo)致空心粉末的存在，使成形件中出現(xiàn)較多孔隙缺陷，影響合金的強(qiáng)度、持久壽命和疲勞性能等。因此，減少空心粉末占比一直是粉末研發(fā)人員的重要目標(biāo)之一。

2、金屬粉末在循環(huán)使用中的變化

2.1化學(xué)成分的變化

2.1.1316L不銹鋼粉末

316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。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。

2.1.2Ti6A14V 合金粉末

Ti6A14V 合金粉末主要應(yīng)用于激光選區(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。

2.1.3IN718高溫合金粉末

有關(guān)IN718高溫合金粉末循環(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。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，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。

2.2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。在粉末形貌方面，EBM成形用Ti6A14V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。

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。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。

2.3成形件力學(xué)性能的變化

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、Ti6A14V合金和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)；Ti6A14V 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。

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)，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。

3、增材制造粉末循環(huán)使用存在的問(wèn)題

（1）粉末特性表征及測(cè)量方法亟待完善。增材制造用粉末材料的性能指標(biāo)眾多，相互之間的關(guān)系如圖1所示。粉末循環(huán)使用過(guò)程中如何快速進(jìn)行影響成形件質(zhì)量的關(guān)鍵性能的檢測(cè)是亟待解決的問(wèn)題。

圖1  增材制造金屬粉末性能間的關(guān)系

（2）粉末特性對(duì)增材制造件性能的影響沒(méi)有定量描述。將單個(gè)粉末顆粒的特性與粉末整體性能、加工過(guò)程和最終成形件性能聯(lián)系起來(lái)，建立相互間的定量關(guān)系仍是一項(xiàng)具有挑戰(zhàn)性的任務(wù)。

（3）尚未明確如何控制成形過(guò)程副產(chǎn)物。如何避免在增材制造過(guò)程中產(chǎn)生過(guò)多的副產(chǎn)物，或?qū)ζ溥M(jìn)行有效排除至關(guān)重要。

（4）成形設(shè)備對(duì)粉末循環(huán)使用性能衰減的影響不清晰。設(shè)備的工藝性、參數(shù)等對(duì)循環(huán)使用后粉末成形件性能的影響已超過(guò)粉末自身特性變化的影響。

（5）缺乏統(tǒng)一的評(píng)價(jià)模型或標(biāo)準(zhǔn)，驗(yàn)證周期長(zhǎng)、成本高。建立一種具有普適性的粉末重復(fù)使用評(píng)價(jià)模型或標(biāo)準(zhǔn)是加快粉末重復(fù)使用亟待解決的問(wèn)題。

4、結(jié)束語(yǔ)

增材制造技術(shù)近年來(lái)得到了廣泛關(guān)注，然而，成本過(guò)高仍是制約其規(guī)?；瘧?yīng)用的關(guān)鍵因素之一。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。由于增材制造金屬粉末循環(huán)使用的影響因素眾多、規(guī)律復(fù)雜，其研究和應(yīng)用仍然面臨著諸多問(wèn)題。建議根據(jù)工藝特點(diǎn)和工藝路線(xiàn)，制定可行的方案和制度，加快增材制造金屬粉末的全面管控和性能測(cè)試，擴(kuò)展應(yīng)用案例，建立相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，助推增材制造技術(shù)在航空航天等領(lǐng)域的工程化應(yīng)用。