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本研究探讨激光粉末床熔融（LPBF）钴铬钼钨支撑结构经机械加工回收为粉末的可行性。通过不同转速（300-500 rpm）和时长（6-10小时）的机械 milling，优化条件为500 rpm持续6小时（S10），获得粒度分布集中（D50≈26 μm）、氧含量降低（2.7 wt%）且γ-Co相稳定的粉末。再利用优化参数的LPBF加工，成功制备出致密无缺陷试样，硬度达416 HV0.5，密度7.477 g/cm3（理论密度90-92%），抗拉强度450 MPa，成本降低97%，验证了技术可行性和经济性。
作者：Temel Varol, Hüseyin Can Aksa, Serhatcan Berk Ak?ay, Murat Beder
土耳其特拉布宗卡拉德尼兹理工大学，冶金与材料工程系，邮编61080
摘要
本研究探讨了通过机械铣削回收激光粉末床熔融（LPBF）过程中产生的Co–Cr–Mo–W支撑结构，并将其重新用作粉末原料的可行性。支撑结构以300–500转/分钟的转速铣削，时间最长可达10小时，然后对所得粉末进行了系统的表征分析。在500转/分钟的速度下铣削6小时（S10）获得了最佳的粉末性能，包括相对较窄的粒径分布（D50约为26微米）、较低的氧含量以及γ-FCC相的稳定。长时间铣削会导致冷焊和团聚现象，从而降低粉末质量。回收的S10粉末随后被重新用于LPBF工艺。使用标准参数进行初步制备时出现了球化和其他缺陷；然而，通过优化加工条件（激光功率100瓦、扫描速度600毫米/秒、孔间距40微米、层厚20微米以及交替扫描策略），成功制备出了致密且无缺陷的样品。优化后的Re–CoCr合金具有416 HV0.5的硬度、7.477克/立方厘米的密度（理论密度的90–92%）以及450兆帕的极限抗拉强度，但伸长率较低（1%）。这些结果证明了将LPBF支撑结构回收为可重复使用的Co–Cr–Mo–W粉末原料的技术可行性，同时也指出较低的延展性可能限制其在非关键生物医学部件中的应用。成本分析进一步显示，与商用气雾化粉末相比，采用回收材料的LPBF生产方法可将材料成本降低约97%，凸显了该回收途径的巨大经济潜力。
引言
增材制造（AM）能够逐层制造出几何形状复杂且定制化的部件，在设计自由度、材料利用率和快速生产方面相较于传统减材制造具有显著优势[1]、[2]、[3]。在基于金属的AM技术中，激光粉末床熔融（LPBF）因能够以接近净形状的精度加工多种工程合金而成为生产高精度生物医学和工业部件的最广泛应用工艺之一。
在LPBF过程中，为了确保尺寸稳定性、促进热量散发并在加工过程中固定部件，不可避免地需要使用支撑结构。这些支撑结构通常采用较低的激光功率和能量密度制造，以便于加工后轻松移除。然而，一旦移除，支撑结构通常作为废弃物被丢弃，尽管它们与最终部件由相同的高价值合金组成。这种做法导致了大量材料浪费、生产成本增加以及不必要的能源消耗，尤其是对于钴（Co）、钛（Ti）、银（Ag）和金（Au）等昂贵且资源密集型的金属[4]、[5]。基于钴-铬（Co–Cr）的合金因其高强度、优异的耐腐蚀性和已验证的生物相容性，在牙科和骨科应用中得到广泛应用。LPBF技术的应用使得牙科支架和骨科部件的快速定制生产成为可能，同时提高了尺寸精度并减少了后续处理步骤[6]、[7]、[8]、[9]。然而，LPBF制造Co–Cr部件通常会产生大量的支撑结构，这与可持续制造和循环利用材料的理念相悖。鉴于未来几十年全球固体废物产生量预计将大幅增加，回收和再利用增材制造过程中产生的金属废弃物已成为一个重要的研究课题[10]、[11]。原料粉末的特性对熔池稳定性、致密化行为以及通过LPBF制造的合金的机械性能具有重要影响[12]、[13]、[14]。因此，任何旨在将增材制造废弃物转化为可重复使用原料的回收策略都必须确保回收粉末保持足够的物理完整性和冶金质量，以实现稳定的加工过程和可重复的部件性能[15]。在这方面，机械铣削作为一种有前景的固态回收方法，能够通过反复的塑性变形、冷焊和断裂过程，将大块金属废弃物（如机械加工屑或LPBF支撑结构）转化为可加工的粉末原料[16]、[17]、[18]。与传统基于雾化的粉末生产方式相比，机械铣削在能耗较低、加工流程简化以及无需预先熔化即可直接利用不规则废弃物几何形状方面具有优势[13]、[16]。多项研究已经探讨了增材制造废弃物或回收粉末的再利用问题。Mohamed等人[19]证明Co–Cr–Mo LPBF支撑结构可以通过铸造进行再处理而不影响其机械性能。Richter等人[20]和Batalha等人[21]报告称，机械回收的Ti-6Al-4V粉末在电子束和激光粉末床熔融过程中仍保持可打印性和机械完整性。Co?kun等人[22]也证实了AlSi10Mg粉末的可回收性，尽管观察到其机械性能的可重复性存在局限性。在基于聚合物的增材制造中，回收原料也受到了广泛关注[13]、[24]。
除了机械性能外，还有研究表明原料对增材制造钛合金的耐腐蚀性也有影响，表明粉末状态和加工历史会显著影响其在使用条件下的腐蚀行为[25]。尽管针对Ti–6Al–4V和AlSi10Mg等广泛使用的合金系统的粉末回收策略已在LPBF增材制造中得到深入研究，但针对Co–Cr–Mo–W系统的类似研究仍相对较少。这些策略包括通过控制粉末补充程序来维持粉末性能和机械性能的多循环再利用策略[26]，以及关于粉末形态和机械性能变化的重细节研究[27]。现有研究主要集中在Co–Cr粉末在牙科和铸造领域的再利用场景，而非包括机械铣削和重新粉末化在内的完整回收流程[28]。此外，与Ti和Al合金相比，Co–Cr合金具有更高的加工硬化率，且本质更加坚韧。其多相冶金特性会对加工性、形态稳定性和粉末破碎产生显著影响。鉴于这些特点，直接对LPBF Co–Cr–Mo–W支撑结构进行固态回收是一个更具挑战性的问题。尽管已有大量关于通过机械铣削制备金属粉末的研究，但目前尚未探讨过高能机械铣削对Co–Cr–Mo–W LPBF支撑结构的直接固态回收效果，也未研究铣削时间和速度对粉末形态、粒径及球形铣削Co–Cr–Mo–W粉末晶体结构的影响。因此，本研究旨在探索利用机械铣削回收Co–Cr–Mo–W LPBF支撑结构的可行性。
本研究系统评估了铣削速度和时间对所得粉末的形态、粒径分布、晶体结构及整体加工性能的影响。这种方法为传统的粉末生产途径提供了一种经济高效且实用的替代方案，有助于通过将支撑结构转化为功能性原料，为未来的LPBF应用奠定基础。
支撑结构
图1a展示了用于LPBF加工的气雾化粉末的扫描电子显微镜（SEM）形态，而图1b和c分别展示了相应的粒径分布（15–53微米）和X射线衍射（XRD）图案。使用支撑结构是为了确保LPBF加工过程中的几何稳定性和热量散发。为了便于移除并缩短构建时间，这些支撑结构在制造时有意采用了较低的激光功率和体积能量密度。
支撑结构的分析
在基于金属的增材制造方法（如SLM）中，支撑结构至关重要，因为它们能够维持几何稳定性、促进热量散发并控制加工过程中的热应力分布。然而，由于它们是使用较低的激光功率制造的，支撑结构往往只有部分区域被熔化。图4a和图4b显示了未熔化的Co–Cr合金颗粒，这主要是因为能量密度不足。
结论
本研究表明，通过机械铣削可以将LPBF生产的Co–Cr–Mo–W支撑结构有效回收为功能性粉末原料，既具有技术可行性，也带来了显著的经济效益。
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在500转/分钟的速度下铣削6小时（S10）获得了最佳的粉末性能，包括精细的粒径分布（D50 = 26微米）、氧含量的显著降低（从约15%降至2.7%），以及γ-Co（FCC）相的稳定。
作者贡献声明
Temel Varol：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、项目管理、概念构思。Hüseyin Can Aksa：初稿撰写、可视化处理、数据整理。Serhatcan Berk Ak?ay：撰写 – 审稿与编辑、方法论设计、数据整理。Murat Beder：撰写 – 审稿与编辑、数据整理。
利益冲突声明
作者声明没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文的研究结果。
致谢
作者感谢卡拉德尼兹理工大学科学研究项目办公室（项目编号：FAY-2020-9218）的支持。同时，我们也感谢Implance Dental (AGS Medikal)在Micro-CT扫描方面提供的协助。
