滑铁卢大学与德国弗劳恩霍夫研究所联合开发出单步还原烧结技术，实现以水雾化粉末直接进行钢铁3D打印。该方法在还原烧结过程中同步去氧、控碳与致密化，密度达99.7%，无需传统退火工序，大幅降低能耗与成本。研究为钢铁增材制造提供了更可持续、低碳、高效率的新路径，推动金属3D打印技术迈向工业化应用。
第一部分：研究概述
滑铁卢大学多尺度增材制造实验室与德国弗劳恩霍夫制造技术与先进材料研究所（IFAM）的研究人员开发出一种单步还原烧结工艺，使得利用水雾化粉末进行钢材粘结剂喷射增材制造（BJAM）成为可能。该方法消除了传统打印前用于精炼粉末的退火步骤，实现了原位氧化物还原、碳含量控制以及超过99.7%固体密度的致密化。该研究发表于《材料加工技术杂志》（Journal of Materials Processing Technology），为使用未经精炼原料的低成本、低能耗金属制造开辟了新路径。
钢铁增材制造通常依赖气体或等离子体雾化粉末，这些粉末需经过多道预处理步骤以满足严格的纯度与流动性要求。相比之下，水雾化粉末通过高压水流将熔融金属击碎而成，成本要低得多，但其表面含有氧化物，需在900–1200 °C的纯氢气中退火以去除氧化层。根据早期分析，这一退火阶段的能耗可占粉末生产总能耗的一半以上。
第二部分：实验方法与材料
新方法完全跳过了退火过程。研究人员使用由加拿大铁粉制造商力拓金属粉末公司（Rio Tinto Metal Powders）提供的未经处理的AISI 4340型钢粉末，并在ExOne M-Flex BJAM系统上以20%粘结剂饱和度打印组件。随后，在5% H₂–95% N₂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生成、防止过度碳损失，同时保持化学还原性环境。在约1455 °C的峰值温度下，团队实现了接近完全致密化且无几何变形的样品。
第三部分：化学精炼机制
对原始水雾化粉末的表征显示，其颗粒形态不规则，表面覆盖着含铁、铬、锰和硅的多价氧化物。利用经修正的埃林汉姆图（Ellingham diagram）进行的热力学建模表明，诸如Fe₂O₃和MoO₃等高价氧化物可在相对较低温度下被氢气还原，而稳定性更高的氧化物如Cr₂O₃和MnCr₂O₄则需要基于碳的还原反应。
加热过程中，粘结剂在500 °C以下分解，生成CO与CO₂气体；随后，在升温至600 °C之前由氢气驱动的还原阶段起主导作用。超过该温度后，碳基氧化还原反应成为主导过程，这与热重和质谱分析数据相吻合，后者显示CO的生成量显著上升。温度高于735 °C时，对应钢从体心立方（BCC）向面心立方（FCC）相的转变，CO的生成加速，从而通过布杜瓦反应（Boudouard equilibrium）驱动残余氧化物的还原。
当温度超过1200 °C时，样品的氧含量降至0.03 wt %以下，而碳含量稳定在**AISI 4340规范范围的0.38–0.43 wt %之间。这种碳平衡对于启动过固相液相烧结（SLPS）**至关重要，在约1445 °C时发生的局部熔融促进了颗粒重排与孔隙消除。X射线断层扫描确认其孔隙率低于0.3%，验证了该致密化机制。
第四部分：对比分析与工艺控制
在纯氢气气氛下进行的实验导致了严重的脱碳，而未实现显著的氧化物还原，这一结果支持了这样的假设：高氢分压会促进内部氧迁移反应，而非产生净去氧效果。相比之下，使用稀释氢气混合气（5% H₂ – 95% N₂）则在碳保持与化学还原之间取得了平衡。
**同步热分析与质谱联用（STA–MS）**结果揭示了清晰的反应阶段划分：
500 °C以下为粘结剂烧除阶段；
500–600 °C之间由氢气介导的氧化物还原主导；
600 °C以上为CO驱动的氧化还原反应过渡阶段；
约1200 °C时实现完全去氧。
这些实验结果与热力学预测一致，后者表明在高温条件下一氧化碳成为主要还原剂，使得氢气浓度对最终去氧效果的影响变得不再显著。
在1445 °C和1455 °C烧结条件下对晶格型BJAM试样进行X射线断层重建，揭示了随温度升高孔隙的逐步消除，以及大孔的断裂与分散为孤立微孔的过程。体积密度测量结果达到99.44 ± 0.24 %，显著高于此前采用气雾化粉末制备的BJAM 4340钢（通常低于92%）的报道水平。
第五部分：粉末特性与对比研究
(a) 扫描电子显微镜（SE-SEM）图像显示，水雾化4340钢粉末颗粒形貌不规则；
(b) X射线光电子能谱（XPS）全谱扫描表明粉末表面含有多种氧化物；
(c–f) 对Fe 2p、Cr 2p、Mn 2p和Si 2p区域的高分辨率扫描进一步揭示了不同价态的氧化物特征。
（图像来源：ScienceDirect）
水雾化粉末因成本低廉而被广泛用于粉末冶金与金属注射成形（MIM），但由于氧化物污染与烧结响应差，其在增材制造领域的应用一直受到限制。此前针对名义上无氧的Cr–Mn钢的研究仍发现真空烧结后存在粗大氧化物夹杂，表明其化学还原驱动力不足。传统粉末冶金中通过添加石墨可部分改善此问题，但往往需要多步工艺才能实现有效脱氧。
第六部分：单步还原烧结的创新意义
通过将粉末精炼与零件致密化合并为单一操作，本研究提出的还原烧结框架消除了独立退火与外加碳源的需求。该方法同时提供了足够的热能与化学势，用以还原混合氧化物并精准控制碳含量。这一集成路线支持了未经精炼的水雾化粉末直接用于钢铁粘结剂喷射3D打印，从而在整个供应链中显著降低原料成本与能耗。
研究结果表明，含杂质的原始粉末可被转化为致密、成分均衡、可用于功能部件的合金。该工艺在复杂晶格结构中仍能保持几何精度，显示出向更大工业部件扩展的潜力。研究团队计划进一步探索零件体积对气体扩散与氧化还原动力学的影响，因为较大的横截面可能需要调整保温时间以确保均匀去氧。
(a) X射线断层孔隙分析；
(b) 孔隙特征的统计分析（气泡尺寸按各数据集中最大孔体积比例缩放）；
(c) 不同条件下最大孔体积的三维重建。
（图像来源：ScienceDirect）
