何艷麗，雷力明，侯慧鵬

(1.中國(guó)航發(fā)上海商用航空發(fā)動(dòng)機(jī)制造有限責(zé)任公司，上海 201306；2.中國(guó)航發(fā)商用航空發(fā)動(dòng)機(jī)有限責(zé)任公司，上海 200241)

0 引 言

增材制造(Additive Manufacturing，AM)是一種基于分層制造的快速成形技術(shù)，其突破了傳統(tǒng)減材制造方法固有的局限性，無需模具，能夠直接利用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)的模型進(jìn)行復(fù)雜幾何形狀零件的近凈成形，具有制造周期短、小批量零件生產(chǎn)成本低等特點(diǎn)。其中:定向能量沉積如激光直接沉積(Laser Melting Deposition，LMD)法生產(chǎn)效率高且可進(jìn)行零件修復(fù)；粉末床熔融(Powder Bed Fusion，PBF)技術(shù)則能夠成形較為復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，尺寸精度更高，因此得到了更為廣泛的關(guān)注，在民用航空領(lǐng)域發(fā)展迅速[1-2]。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。粉末的重復(fù)循環(huán)使用是粉末床增材制造的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一，即將單次成形后未燒結(jié)/熔化的金屬粉末收集后進(jìn)行干燥、篩分，然后用于再次成形。粉末冶金和噴涂等雖然同樣以金屬粉末為原材料，但其單次成形消耗金屬粉末較多，剩余材料無需進(jìn)行重復(fù)使用。然而，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)備能覆蓋成形倉相應(yīng)高度的金屬粉末(對(duì)于有供粉倉的成形設(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[3]，可見將粉末回收進(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[4-5]。

粉末重復(fù)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(xué)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。但是，這部分未熔化凝固為零件的金屬粉末與熱源進(jìn)行了一系列動(dòng)態(tài)熱交互作用，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)。為此，作者結(jié)合增材制造領(lǐng)域金屬粉末的研究進(jìn)展，選取近年來業(yè)內(nèi)研究較多的316L不銹鋼、Ti6Al4V合金和IN718合金3種粉末材料，對(duì)循環(huán)使用過程中粉末的化學(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)存在的若干問題，提出了解決思路。

1 增材制造金屬粉末研究進(jìn)展

隨著金屬增材制造技術(shù)的發(fā)展應(yīng)用，研究人員投入大量精力致力于增材制造成形及后處理工藝的研究，以減少成形件內(nèi)部缺陷、降低表面粗糙度、提高力學(xué)性能和生產(chǎn)效率。近年來，人們逐漸認(rèn)識(shí)到，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。

通常，金屬粉末主元素及雜質(zhì)元素如碳、氫、氧、氮等滿足既定的技術(shù)要求或標(biāo)準(zhǔn)則認(rèn)為粉末合格。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。魏菁等[6]研究發(fā)現(xiàn)，降低氧、氮、硅含量可以提高激光選區(qū)熔化成形Hastelloy X合金的持久性能，增加碳元素含量則會(huì)提高其強(qiáng)度。隨著增材制造成形特點(diǎn)和機(jī)理的逐漸明晰，部分學(xué)者開始進(jìn)行面向增材制造工藝的新材料設(shè)計(jì)，通過粉末物理性能和成分調(diào)控來適應(yīng)成形工藝以提高成形件的性能[7-8]。

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)。在其他參數(shù)相同的情況下，粉末直徑過大可能導(dǎo)致成形件致密性下降；粉末直徑越小，在成形過程中則越容易出現(xiàn)過熱現(xiàn)象，且顆粒越細(xì)，其比表面積越大，由于表面摩擦作用，粉末流動(dòng)性變差，同時(shí)還會(huì)出現(xiàn)團(tuán)聚現(xiàn)象。但是粒徑小、粒度分布范圍窄的粉末能夠獲得穩(wěn)定的熔池，從而提高成形件的致密性[9-10]。球形度會(huì)影響粉末流動(dòng)性進(jìn)而影響鋪粉質(zhì)量[11-13]，衛(wèi)星球、長(zhǎng)條顆粒均會(huì)降低粉末的流動(dòng)性。此外，潮濕環(huán)境會(huì)增加粉末濕度，使其表面氫鍵增加，相互作用力增大，從而降低流動(dòng)性，增加成形件的孔隙率[14-16]。

現(xiàn)階段普遍采用的氣霧化制粉方式不可避免會(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[17]。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

2.1.1 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[18-21]，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[22]。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[19]。

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[19]。

2.1.2 Ti6Al4V合金粉末

Ti6Al4V合金粉末主要應(yīng)用激光選區(qū)熔化[23](Selective Laser Melting，SLM)和電子束選區(qū)熔化(Electron Beam Melting，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)使用過程中，EBM成形用Ti6Al4V合金粉末中氧元素含量有所增加[24-28]，而SLM成形時(shí)各元素含量基本保持不變[29-31]。

2.1.3 IN718高溫合金粉末

近年來有關(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[32-34]、EBM、LMD修復(fù)[35-36]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[23]。但也存在氧元素含量上升，重復(fù)使用次數(shù)減少的情況[33-34]。

綜上所述，粉末循環(huán)使用過程中應(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[37]，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。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[18-20]，且存在較多的附屬顆粒和黏結(jié)顆粒[38]。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[30]，球形度基本無變化；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[19,21]，這可能是由于增材制造過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[19,21]。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)使用過程中需要將帶有磁性的金屬粉末進(jìn)行篩選去除。RENDEROS等[35]在IN718合金粉末重復(fù)使用過程中也有類似發(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

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)[27,31,38]；Ti6Al4V合金成形件的疲勞性能雖然整體沒有顯著變化，但高循環(huán)應(yīng)力條件下表現(xiàn)出較高的疲勞壽命[31]；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[32,34,35]。具體研究結(jié)果見表1。

表1 3種粉末成形件力學(xué)性能隨循環(huán)使用次數(shù)的變化Table 1 Changes of mechanical properties of three powder molded parts with the number of cycles

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，也沒有建立缺陷與粉末重復(fù)使用次數(shù)的關(guān)系，因此無法表明粉末重復(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。粉末流動(dòng)性[39]作為一個(gè)綜合性指標(biāo)，與粉末的物理性能和環(huán)境濕度存在強(qiáng)相關(guān)性，其對(duì)增材制造成形過程的鋪粉效果有著重要影響。粉末流動(dòng)性可以使用流速、休止角、雪崩角、豪斯納比(HR)[23]等參數(shù)進(jìn)行表征，也有學(xué)者通過定義的粉末分布、粒度等表征粉末的流動(dòng)性[40]。由此可見，行業(yè)內(nèi)各研究機(jī)構(gòu)或研究人員之間對(duì)粉末特性解析角度尚未達(dá)成一致，這主要是由于目前尚缺乏更好的表征和測(cè)量方式。

圖1 增材制造金屬粉末性能間的關(guān)系Fig.1 Relationship between properties of metal powder for additive manufacturing

不同牌號(hào)金屬粉末在循環(huán)使用過程中的表現(xiàn)不盡相同，因此探明特定粉末的具體性能對(duì)于評(píng)估粉末循環(huán)使用對(duì)工藝和產(chǎn)品的影響至關(guān)重要。美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究所(NIST)的研究人員在一份報(bào)告中闡述了粉末床增材制造的科學(xué)測(cè)量需求[41]，并致力于開發(fā)用于原始金屬粉末特性描述的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法。CHANDRASEKAR等[42]提出了一種原位分析方法，在鋪粉過程中對(duì)粉末行為進(jìn)行檢測(cè)，證明了Ti6Al4V和IN718合金粉末的原位行為存在差異。

然而目前，國(guó)內(nèi)學(xué)者大多致力于增材制造件缺陷的無損檢測(cè)方法以及檢測(cè)準(zhǔn)確性研究，僅有少部分關(guān)注粉末材料自身性能的檢測(cè)和表征。對(duì)于從事增材制造生產(chǎn)的企業(yè)而言，粉末循環(huán)使用過程中如何快速進(jìn)行影響成形件質(zhì)量的關(guān)鍵性能的檢測(cè)是亟待解決的問題，這一方面需要對(duì)粉末關(guān)鍵性能進(jìn)行快速識(shí)別，另一方面需要開發(fā)出適用于生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的簡(jiǎn)易有效的檢測(cè)裝置，并制定相應(yīng)的檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)。

(2) 粉末特性對(duì)增材制造件性能的影響沒有定量描述。在粉末冶金中，通常先選擇認(rèn)為合適的粉末，然后對(duì)工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化來提高零件質(zhì)量，很少直接探討金屬粉末如何影響最終產(chǎn)品的微觀結(jié)構(gòu)和性能，對(duì)粉末形態(tài)、微觀結(jié)構(gòu)等特性進(jìn)行完整全面的表征則幾乎從未涉及。增材制造成形過程以及制件質(zhì)量與粉末原料的各項(xiàng)性能有極大的相關(guān)性。粉末粒度改變會(huì)對(duì)鋪粉質(zhì)量產(chǎn)生影響，但何種粒度分布能獲得更好的鋪粉效果和產(chǎn)品質(zhì)量尚無定論，目前默認(rèn)使用的D10，D50，D90等粒度分布參數(shù)源自早已成熟應(yīng)用的傳統(tǒng)粉末冶金行業(yè)，其是否足以表征增材制造用金屬粉末粒度分布特征尚不確定。對(duì)于化學(xué)成分如何影響成形件性能，因材料牌號(hào)差異以及可能的保密需求等原因，相關(guān)研究?jī)H表明某些元素的降低或升高會(huì)對(duì)拉伸、持久、疲勞等性能產(chǎn)生某種趨勢(shì)性的影響，也分析了變化的原因，但沒有給出明確的上限或下限。

從當(dāng)前金屬粉末循環(huán)使用研究現(xiàn)狀可以發(fā)現(xiàn)，研究者對(duì)于粉末顆粒的某些特性對(duì)后續(xù)產(chǎn)品性能的影響有獲得相同或類似結(jié)論的，也有獲得完全相反結(jié)論的?？梢?，將單個(gè)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(lián)系起來，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程副產(chǎn)物。增材制造成形時(shí)在熱源與粉末交互作用過程中會(huì)形成較多的副產(chǎn)物：由于激光照射至金屬粉末表面會(huì)產(chǎn)生一定沖擊力，部分金屬粉末在該作用力下飛射而出；高溫熔池使得金屬熔化甚至氣化，熔融和尚未熔化的金屬粉末在金屬蒸氣作用下形成飛濺物，這些飛濺物可能會(huì)成為滿足粉末粒度要求的顆粒，也可能形成較大顆粒，或者黏附在金屬粉末表面形成衛(wèi)星球；此外，飛濺而出的金屬液滴與氣氛中的殘余氧氣相互作用后會(huì)形成氧化物。以上情況均會(huì)對(duì)金屬粉末產(chǎn)生不良影響，從而在后續(xù)循環(huán)使用過程中影響成形件的性能。因此，如何避免在增材制造過程中產(chǎn)生過多的副產(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。增材制造成形過程中，除復(fù)雜的熱交互作用外，設(shè)備自身激光在成形區(qū)域的一致性、定位精度、成形氣氛、飛濺物及煙塵排除等也對(duì)粉末性能和成形件質(zhì)量有著重要影響。例如， SLM成形由于處于非真空狀態(tài)，通常需要填充保護(hù)氣，出風(fēng)口位置、內(nèi)部風(fēng)場(chǎng)情況等均會(huì)對(duì)成形過程中飛濺物的形成及分布產(chǎn)生影響，從而影響成形質(zhì)量。

已有研究表明，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粉末自身特性變化的影響[3,29]。為提高生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)成本，增大激光選區(qū)熔化成形件尺寸，多光束增材制造設(shè)備逐步研發(fā)成熟，部分產(chǎn)品已投入市場(chǎng)。然而，多激光束也使得成形設(shè)備內(nèi)部環(huán)境更加復(fù)雜，此種條件下粉末循環(huán)使用規(guī)則可能會(huì)發(fā)生變化，而循環(huán)使用極限是否會(huì)提前到來尚未可知。

(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。目前，粉末循環(huán)使用主要有3種方式，一是單純使用回收粉末，二是將回收粉末與新粉末混合使用，三是將循環(huán)使用相同次數(shù)的粉末混合使用，前兩種方式占主導(dǎo)地位。由于設(shè)備不同、粉末牌號(hào)、粉末混合方式和比例等存在差異，各機(jī)構(gòu)和研究人員獲得的結(jié)果可能會(huì)呈現(xiàn)不同的趨勢(shì)。因此，當(dāng)前研究通常需進(jìn)行大量的粉末循環(huán)和材料性能測(cè)試，以建立粉末重復(fù)使用次數(shù)與零件結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的關(guān)系；但某種粉末的研究結(jié)果無法有效應(yīng)用于其他粉末零部件的生產(chǎn)，必須對(duì)各粉末性能和成形布局進(jìn)行重復(fù)驗(yàn)證，這種點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的方法抑制了粉末的有效重復(fù)利用。因此，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)使用亟待解決的問題。CORDOVA等[23]提出了一種粉末重復(fù)使用過程中各項(xiàng)檢測(cè)的結(jié)構(gòu)化流程，確定了分析的最佳順序，同時(shí)對(duì)每個(gè)步驟提出了具體檢測(cè)指標(biāo)以決策是否進(jìn)行下一步檢測(cè)或是否可繼續(xù)使用該粉末。但該模型的完整性和普適性尚未經(jīng)過驗(yàn)證，且其主要針對(duì)工藝參數(shù)方面，關(guān)于金屬粉末特性的內(nèi)容則較少。

4 結(jié)束語

增材制造技術(shù)近年來得到了廣泛關(guān)注，國(guó)內(nèi)外學(xué)者從工藝、設(shè)計(jì)、材料、標(biāo)準(zhǔn)等方面開展了大量研究工作，各種應(yīng)用案例不斷涌現(xiàn)。然而，成本過高仍是制約其規(guī)模化應(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題。國(guó)內(nèi)相關(guān)研究相比國(guó)外更為薄弱。建議根據(jù)工藝特點(diǎn)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(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。