粉末床熔融增材制造技術可快速成形復雜結構零件，尺寸精度高，在諸多領域得到廣泛關注，但相比于傳統制造方法，其成本較高；金屬粉末的循環使用則可以有效降低制造成本。結合增材制造金屬粉末的研究進展，對常用的316L不銹鋼、Ti6A14V合金和IN718合金粉末在循環使用過程中的化學性能、物理性能和成形件性能變化進行了概述，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使用時存在的若干問題，提出了解決思路。

1、增材制造金屬粉末研究進展

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

粉末粒度是增材制造工藝優化和參數調整的重要依據?，F階段采用的氣霧化制粉方式會導致空心粉末的存在，使成形件中出現較多孔隙缺陷，影響合金的強度、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人員的重要目標之一。

2、金屬粉末在循環使用中的變化

2.1化學成分的變化

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，可以近似認為其基本保持不變。顆粒表面出現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生成分偏析所致。

2.1.2Ti6A14V 合金粉末

Ti6A14V 合金粉末主要應用于激光選區熔化（SLM）和電子束選區熔化（EBM）兩種粉末床熔融技術成形，其成分研究主要集中于氧、氮、鋁、釩等元素的變化。在循環使用過程中，EBM成形用Ti6Al4V合金粉末中氧元素含量有所增加，而SLM成形時各元素含量基本保持不變。

2.1.3IN718高溫合金粉末

有關IN718高溫合金粉末循環使用相關報道較少，僅有SLM、EBM、LMD修復等3種方式少量涉及。SLM成形用IN718高溫合金粉末在循環使用時，化學成分基本無明顯變化。但也存在氧元素含量上升，重復使用次數減少的情況。

綜上所述，粉末循環使用過程中應重點關注氧元素的含量變化，粉末表面氧化物的增加會影響粉末對激光的吸收，從而影響成形質量。此外，在粉末循環使用過程中還需對其中的親氧元素和易燒損元素進行監控。

2.2物理性能的變化

在粉末粒度方面，上述3種材料無論通過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球形度下降、表面粗糙度增大的現象，甚至出現拉長和變形顆粒；SLM成形方式下，顆粒表面僅在使用次數較多時變得更為粗糙，球形度基本無變化；而部分316L不銹鋼粉末在重復使用后出現球形度提高、表面更加光滑的現象。

此外，316L不銹鋼粉末在循環使用過程中出現了磁性顆粒，并且含有大量細小的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導致粉末團聚，降低鋪粉質量，如何避免該現象將成為未來增材制造粉末循環利用的一個重要研究方向。

2.3成形件力學性能的變化

目前，相關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，抗拉強度有時呈上升趨勢；Ti6A14V 合金成形件的疲勞性能雖然整體沒有顯著變化，但高循環應力條件下表現出較高的疲勞壽命；IN718合金成形件的斷裂韌性和斷裂應變變化較大，但與重復使用次數并不存在明顯的關聯性。

粉末多次重復使用并不會使成形件拉伸性能明顯下降。成形件性能與內部缺陷有關，無法表明粉末重復使用是否會導致其他性能或波動程度的變化。

3、增材制造粉末循環使用存在的問題

（1）粉末特性表征及測量方法亟待完善。增材制造用粉末材料的性能指標眾多，相互之間的關系如圖1所示。粉末循環使用過程中如何快速進行影響成形件質量的關鍵性能的檢測是亟待解決的問題。

圖1  增材制造金屬粉末性能間的關系

（2）粉末特性對增材制造件性能的影響沒有定量描述。將單個粉末顆粒的特性與粉末整體性能、加工過程和最終成形件性能聯系起來，建立相互間的定量關系仍是一項具有挑戰性的任務。

（3）尚未明確如何控制成形過程副產物。如何避免在增材制造過程中產生過多的副產物，或對其進行有效排除至關重要。

（4）成形設備對粉末循環使用性能衰減的影響不清晰。設備的工藝性、參數等對循環使用后粉末成形件性能的影響已超過粉末自身特性變化的影響。

（5）缺乏統一的評價模型或標準，驗證周期長、成本高。建立一種具有普適性的粉末重復使用評價模型或標準是加快粉末重復使用亟待解決的問題。

4、結束語

增材制造技術近年來得到了廣泛關注，然而，成本過高仍是制約其規?；瘧玫年P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品質量，充分開展粉末循環使用研究對于控制成本、保障產品質量穩定性至關重要。由于增材制造金屬粉末循環使用的影響因素眾多、規律復雜，其研究和應用仍然面臨著諸多問題。建議根據工藝特點和工藝路線，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試，擴展應用案例，建立相關標準，助推增材制造技術在航空航天等領域的工程化應用。