中国3D打印网滑铁卢大学开发单步还原烧结工艺，实现可持续水雾花钢粉增材制造
2025年10月28日，来自滑铁卢大学多尺度增材制造实验室和弗劳恩霍夫制造技术与先进材料研究所(IFAM)的研究人员开发了一种单步还原烧结工艺，允许使用水雾化粉末进行粘合剂喷射增材制造 (BJAM) 钢件。这种方法省去了打印前用于精炼粉末的传统退火阶段，实现了原位氧化物还原、碳控制和超过 99.7% 的固相致密化。
研究成果以题为“Single-step reductive sinteringfor sustainable
additive manufacturing of as-water-atomized steel
powders”的论文发表在《Journal of Materials Processing
Technology》上，概述了一条利用未精炼原料生产低成本、低能耗金属的途径。
钢增材制造通常依赖于气雾化或等离子雾化粉末，这些粉末需要经过多个预处理步骤才能满足严格的纯度和流动性要求。水雾化粉末由高压水射流破碎熔融金属制成，成本低得多，但表面含有氧化物，需要在900-1200°C的纯氢中退火。根据之前的分析，这一退火阶段的能耗可能占粉末生产总能耗的一半以上。
新方法完全绕过了退火工艺。研究人员使用由加拿大黑色金属粉末制造商力拓金属粉末公司（Rio Tinto Metal Powders ）提供的雾化AISI 4340型钢粉，在ExOne M-Flex BJAM系统上打印组件，粘合剂饱和度为20%。随后在5% H₂的气氛下进行还原烧结。选择这种气氛是为了抑制碳氢化合物的形成，防止碳损失过多，同时保持化学还原环境。在接近1455°C的峰值温度下，实现了近乎完全的钢坯致密化，且没有几何变形。
△图形摘要。图片来自 ScienceDirect。
化学精炼的机制
对雾化粉末的表征显示，粉末颗粒形貌不规则，表面覆盖着氧化物，含有不同氧化态的铁、铬、锰和硅。基于改进的埃林汉姆图的热力学建模表明，Fe₃和MoO₂O₂O₂气体，随后在高达600°C的温度下进入氢气驱动的还原阶段。超过此温度后，碳基氧化还原反应成为主导，这与热重和质谱数据显示CO生成增加的结果一致。在735°C以上（对应于钢中体心立方向面心立方转变），CO的生成加速，从而驱动剩余氧化物通过Boudouard平衡进行还原。
当温度超过1200°C时，氧含量降至0.03%（重量百分比）以下，而碳含量则稳定在AISI
4340规范规定的0.38%至0.43%（重量百分比）范围内。事实证明，这种碳平衡对于启动超固相线液相烧结（SLPS）至关重要，在1445°C附近部分熔化可增强颗粒重排并消除孔隙。X射线断层扫描证实孔隙率低于0.3%，从而验证了致密化机制。
△拟议的增材制造 (AM) 工作流程概述，包括使用水雾化粉末进行粉末预成型 (BJAM)，然后进行还原烧结处理。STA-MS 代表同步热分析 (STA) 与质谱 (MS) 相结合，用于监测还原烧结过程中产生的气体。图片来自ScienceDirect。
比较分析和过程控制
在纯氢气氛下进行的测试结果显示，氧化层严重脱碳，而氧化物还原不明显，这支持了高氢分压促进内部氧转移反应而非净脱氧的假设。相比之下，稀氢混合物在碳保留和化学还原之间保持了平衡。
同步热分析结合质谱法确定了不同的反应区间：500 ℃以下粘结剂烧尽，500 至 600
℃之间由氢介导的氧化物还原，600 ℃以上转变为一氧化碳驱动的氧化还原反应，1200
℃附近完全脱氧。这些结果与热力学预测一致，表明在较高温度下，一氧化碳成为主要还原剂，使得氢浓度与最终氧化物去除的相关性降低。
对在1445°C和1455°C下烧结的晶格型BJAM试样进行断层扫描重建，结果显示孔隙逐渐消失，大型连通孔隙碎裂成孤立的微孔。体积密度测量值达到99.44±0.24%，远高于早期研究中报道的采用气雾化粉末生产的BJAM
4340钢的<92%的体积密度。
△（a）水雾化 4340 粉末的 SE-SEM 显微照片。（b）颗粒表面的 XPS 扫描谱图。（c）Fe 2p、（d）Cr 2p、（e）Mn 2p 和（f）Si 2p 区域的 XPS 高分辨率扫描图。图片来自 ScienceDirect。
水雾化粉末因其成本低廉而被广泛应用于粉末冶金和金属注射成型，但在增材制造中的应用却因氧化物污染和烧结反应不佳而受到限制。先前对名义无氧铬锰钢的研究发现，真空烧结后仍存在粗大的氧化物夹杂物，这表明还原反应的化学驱动力不足。在传统粉末冶金中添加石墨可以部分缓解这一问题，但需要多个工艺阶段。
通过将粉末精炼和部件固结合并为单一工序，还原烧结框架无需单独的退火和外部碳添加剂。这种新方法提供了还原混合氧化物所需的热能和化学势，同时精确控制碳含量。这种集成路线支持直接使用雾化粉末进行结构钢的粘合剂喷射3D打印，从而降低整个供应链的原料成本和能耗。
结果表明，含杂质的粉末可以转化为致密、成分平衡的合金，适用于制造功能部件。新烧结工艺在复杂晶格中保持几何保真度，表明具有扩展到更大工业部件的潜力。研究人员计划研究部件体积如何影响气体扩散和氧化还原动力学，因为更大的横截面可能需要调整停留时间以确保均匀的脱氧。
△（a）X射线断层扫描探测孔隙。（b）对单个孔隙特征进行统计分析（每个数据集中气泡大小均根据最大孔隙体积进行缩放）。（c）每种条件下最大（体积）孔隙的断层扫描重建。图片来自ScienceDirect。
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