金属废料回收技术分类及应用比较 [page::0][page::10][page::19]

• 传统回收方法包括电弧炉、电渣重熔（ESR）、真空电弧重熔（VAR）、电子束熔炼（EBM）、等离子弧熔炼（PAM）、真空感应熔炼（VIM）、气体雾化（GA），适用于钢铁、钛合金、镍基超合金等的回收，能够获得高纯度铸锭，但存在能耗大、材料损耗和设备复杂等问题。

- 直接固态转化方法通过冷压、热挤压、严重塑性变形（SPD）技术，如摩擦搅拌挤压（FSE）、循环挤压压缩（CEC）、高压扭转（HPT）、等通道角挤压（ECAP）等，实现废料芯片向高致密、细晶材料转化，避免了熔炼过程中的氧化和损失，并改善了机械性能。

• 粉末冶金利用球磨等方法将废料处理为粉末，制备复合材料或可用于增材制造的粉末，具备加工灵活性，但要求清洁度高。

- 表格总结了不同工艺类型的材料适用性、微观组织特征及优缺点，指引具体回收路径选择。

典型工艺示意与结构演变 [page::1][page::4][page::6][page::9][page::13][page::16]

• 详述各熔炼工艺的装置示意图，如电弧炉、ESR、VAR、EBM、PAM、VIM及GA设备结构。

- 介绍SPD相关示意图，展现FSE、CEC、HPT、ECAP及KOBO挤压工艺，并通过显微组织图像说明细晶强化机制。

• 气体雾化工艺图解，阐释高压惰性气体在制备高纯度球形粉末过程中的作用。

金属芯片清洗与处理流程 [page::2][page::3][page::18][page::25]

• 金属加工过程中产生大量芯片废料，表面含有油污、冷却剂等污染物，需采用超声波清洗、真空加热使油脂挥发等技术净化芯片。

- 清洗流程包含原料清洗、超声波洗涤、干燥、筛分及磁选，保障后续回收工艺所需的材料纯净度。

• 钛合金芯片示例展示清洗干燥后压制的孔块，确保材料致密度与均匀性。

直接转化和塑性变形回收工艺及性能表现 [page::12][page::13][page::14][page::15][page::26]

• 直接转化路线替代传统熔炼，工艺流程包括粉碎、清洗、预压、热挤压、切割成型，提高回收率达95%以上。

- SPD技术（FSE、CEC、HPT、ECAP）通过多次塑性加工，显著细化晶粒、改善致密度与界面结合，提升最终材料强度与延展性。

• 机械性能测试表明，采用ECAP和HPT处理的再生材料力学性能可媲美初始材料，且孔隙极少。

- 冷挤压制备的高密度孔块经热挤压制备成成型材，机械性能高于传统工艺制品。

粉末冶金与增材制造回收利用 [page::21][page::23][page::24]

• 机械加工废料粉碎成粉末后，通过球磨、混合、压制、烧结制备复合材料，满足复杂零部件3D打印原料需求。

- 球磨处理制造的Ti6Al4V等粉末应用于激光选区熔化（SLM）等粉末床增材制造，初步验证了粉末性能稳定性及可重复利用性。

• 针对增材制造工艺中的未熔化粉末，经形貌和力学性能研究，分析回收粉末的可再利用次数及精细结构演化。

人工智能辅助增材制造质量提升 [page::27][page::28]

• 机器学习技术在合金设计、显微组织预测、参数优化、缺陷检测、在线监测和打印路径规划等方面的应用进展。

- 基于AI的实时监控和异常识别，提升打印零件的质量预测及缺陷减少能力。

• 预测打印件机械性能和工艺可行性，实现智能化制造质量管控，促进回收材料的增材制造应用推广。

金属废料回收的最新进展综述：传统制造、直接转化与增材制造技术

---

1. 元数据与概览

报告标题：《Recent Advancements in Material Waste Recycling: Conventional, Direct Conversion, and Additive Manufacturing Techniques》
作者：Mandar Golvaskar*, Sammy A. Ojo, Manigandan Kannan
机构：美国阿克伦大学机械工程系
发布时间：2024年5月21日（文章从2024年4月3日提交，5月8日接受）
主题范畴：废料回收技术，涵盖传统制造废料与增材制造废料的回收方法，并涉及铝、不锈钢、镍基高温合金和钛合金等关键工程材料的微结构与力学性能改善。

核心论点及信息：
本文系统回顾了材料废料特别是制造过程中产生的金属废料的回收技术，重点比较了传统制造中的废料（通常为切屑）与增材制造过程（粉末废料）的不同回收方式。文中重点探讨回收技术对材料微结构、性能的影响，尤其是如何通过新兴的直接转化方法和增材制造技术实现高效环境友好的循环利用。报告推荐了基于切屑的新型回收策略，目标是提高芯片的结合质量、密度和最终力学性能，同时促进可持续工程实践。[page::0]

---

2. 逐节深度解读

2.1 引言

报告首先强调了铝（2024、6061、7075）、不锈钢（304、316、316L）、镍基超合金与钛合金（Ti6Al4V）在航天、核能和海洋工业中的重要应用以及其优异的性能（如高强度、耐腐蚀、耐疲劳等）。传统制造过程存在多个工序，制造周期长；而增材制造因其可制造复杂零件、并实现优异机械性能，正被越来越多地采用。废料形态也不同：传统制造多为切屑片，增材制造主要为粉末。作者指出徘徊在提高微观组织与机械性能的多项研究技术（加碳化物、合金元素添加、热处理等）及其对再制造的重要性。同时报道了3D打印等增材制造技术在材料变换/循环的实际意义。[page::0]

2.2 传统制造废料回收方法

2.2.1 电弧炉熔炼（Electric Arc Furnace, EAF）

介绍了电弧炉工作原理：利用碳电极产生电弧加热废料达到熔炼目的。该工艺适合高温不锈钢及超合金的冶炼。缺点是碳、氧等氧化损失较大，可能造成20%质量烧损。电弧炉存在杂质生成，如一氧化碳、二氧化碳、氮氧化物等，文献中也特别指出炉渣处理及环境排放问题。图6展示了电弧炉结构示意图，说明其关键部件如电极臂、冷却板、炉渣层等。高烧损成为限制经济性的主要隐患。[page::4]

2.2.2 电渣重熔（Electroslag Remelting, ESR）

电渣重熔技术则适合高超合金的回收处理，采用非消耗性电极，经电渣层加热并缓慢凝固金属以控制微观组织。图7展示了该过程示意图。文章指出ESR可产出高质量钢材及超合金锭材，但废料压制成电极难度大，限制其应用范围。[page::4-5]

2.2.3 真空电弧重熔（Vacuum Arc Remelting, VAR）

VAR在电子束熔炼前用于提升材料纯净度，适合高纯钛及核级材料的生产。该过程在高真空下完成，杂质挥发，采用精密控制熔池及冷却速度，实现晶粒控制。图8示意VAR设备。缺点为工艺复杂，成本高。[page::5-6]

2.2.4 电子束熔炼（Electron Beam Melting, EBM）

EBM通过高速电子束控制熔池融化金属，且运行在高真空环境中，可防止氧化并通过梁流动带走轻杂质。适合钛及其合金、核工业相关材料。熔炼物质结构均匀稳定。图9为EBM示意。该法材料纯净度高，熔炼效率较变形过程高，但设备造价及维护成本较高。[page::6-7]

2.2.5 等离子弧熔炼（Plasma Arc Melting, PAM）

PAM使用大气压或高压下的电弧等离子体完成熔炼。优点为操作压力高，以避免轻质合金元素损失，且适合多种材料熔炼与净化。图10为PAM示意。缺陷为电极寿命短，且工艺参数影响较多。[page::7]

2.2.6 真空感应熔炼（Vacuum Induction Melting, VIM）

VIM利用感应电流加热金属，熔炼过程在真空环境下减少氧化。适合钛合金与高温合金的高品质熔炼。图11展示系统结构。优点为控温精确、设备成本较低，缺点为可能存在残余氧化及微结构不均匀。[page::8]

2.2.7 气体雾化（Gas Atomization, GA）

GA是将熔融金属通过高速气体喷嘴喷射成为颗粒状粉末。粉末形貌球形，适合粉末冶金和增材制造。图14示意了GA过程。需严格控制粉末冷却速率，以避免凝固缺陷。粉末制备中，粉体的大小及形状影响后续加工性能。[page::9]

2.3 直接转化方法

文中指出，相比传统铝回收仅约54%的材料回收率，直接转化回收率高达95%。该方法包括破碎、清洗、干燥、冷预压、热挤压和最终尺寸切割，实现芯片无需熔化的固态回收。图17示意传统与直接转化流程的区别。几种严重塑性变形（severe plastic deformation，SPD）技术被广泛应用，包括摩擦搅拌挤压（Friction Stir Extrusion, FSE）、循环挤压压缩（CEC）、高压扭转（HPT）、等通道角挤压（ECAP）以及KOBO挤压，目标均在大幅强化材料并细化晶粒。[page::12]

2.3.1 摩擦搅拌挤压（Friction Stir Extrusion，FSE）

FSE是将金属废料通过工具强塑形和摩擦生热固结，适合连续回收。实验与模拟显示FSE能显著降低工艺能耗，提升回收效率，获得细致微观结构和力学性能，已有应用于铝、镁及黄铜废料的成功案例。图18展示了FSE过程示意。[page::13]

2.3.2 循环挤压压缩（Cyclic Extrusion Compression，CEC）

CEC通过反复挤压和压缩施加大塑性变形，实现材料的强韧化和细晶化。特别是在铝镁合金等轻合金中应用广泛。文中指出CEC可改善铝合金芯片回收工艺中的密度和硬度问题，关键工艺参数包括循环时间、反压力和保持时间。图19为CEC示意过程。[page::13-14]

2.3.3 高压扭转（High Pressure Torsion，HPT）

HPT将样品置于上下钳口间，在高压下旋转下钳口催化变形，实现超细晶颗粒的形成。图20为HPT装置示意，回收的纯钛及铝合金经过HPT后表现出力学性能显著提升，芯片的致密度达95-98%，并显著改善界面结合强度和韧性。[page::14-15]

2.3.4 等通道角挤压（Equal Channel Angular Pressing，ECAP）

ECAP通过工件通过两个角度相同截面通道，施加剪切变形，实现超细晶的再生与强化。图21示意该过程。ECAP适合钛、铝及镁等材料回收，显著提升材料机械性能和致密度。图22展示了ECAP细化后的AZ31镁合金样品光学显微图，晶粒细化明显。[page::15-16]

2.3.5 KOBO 挤压技术

KOBO技术利用旋转式或往复式模具对合金废料实施塑性加工。作者研究了钛合金芯片的回收制杆过程，芯片经清洗、压制为块体，继而通过KOBO挤压实现致密棒材的生产（图23、24）。此技术细化晶粒而且实现高致密度无明显缺陷，为钛回收提供有效路径。[page::17-18]

2.3.6 热挤压

热挤压是芯片回收的关键工艺步骤，通常先将芯片压制成坯块，预热后通过模具成形。图25为热挤压示意。人工及实验证明，热挤压结合后续SPD处理可显著提升材料的机械性能和耐腐蚀性。文中分析了不同尺寸芯片的机械性能差异及工艺参数影响，表1和图27详细比较了几种工艺的性能。[page::18-19,27]

---

3. 图表深度解读

图1（page::1）

图1展示了两种制粉方法（冷机械法CMD和气体雾化法GA）加工流程。CMD通过机械加工废料获得粉末，收率超过95%，可直接就地用于3D打印；气体雾化法粉末收率低于20%，需远距离运输使用。CMD制粉成本低且粉末性能优异（拉伸强度可比拟传统粉末），适合增材制造的实际应用。此图强调CMD技术节能、高效及环保的优势。[page::1]

图2（page::1）

该图示意了激光选区熔化（LPBF）微观结构的单元，展示堆积层叠结构、熔池边界与典型晶粒结构的细胞状亚结构。体现了增材制造中激光熔池复杂的微观组织演变过程，为后续微结构及性能分析提供理论依据。[page::1]

图4（page::2）

图4展示了两种铝回收流程的组成比例。传统回收中，仅52%为挤压产品，其余为熔炉损失、废料和其他瑕疵；直接转化方法中，96%是高比例挤压产品，杂质和损失极低。对比表明直接转化针对材料损失和资源利用率有显著提升，解释了其高回收率的机制。[page::2]

图5（page::3）

该流程图详细呈现了钛合金芯片清洗及后续处理的多步骤过程，包括清洗剂清洗、超声去油、干燥、筛分、磁选、乙酮清洗、热处理、球磨和最终利用。该细致流程保障芯片材料纯度、粒度均匀并减少杂质，提高回收材料的最终质量。[page::3]

图6-10（page::4-7）

分别为电弧炉（EAF）、电渣重熔（ESR）、真空电弧重熔（VAR）、电子束熔炼（EBM）与等离子弧熔炼（PAM）设备结构及工艺示意图，直观展示相关设备工作原理、温控与反应区布局。对于理解不同熔炼设备的优缺点及其制造过程中的应用至关重要。[page::4-7]

图11-14（page::8-9）

对应真空感应熔炼（VIM）和气体雾化（GA）的示意图及钛合金芯片成型图及GA粉末制备流程，对比不同制粉工艺对粉体性质及后续应用影响。示意了粉体颗粒形貌及尺寸分布，为利用粉末完成增材制造提供基础数据。[page::8-9]

图18-21（page::13-16）

呈现了摩擦搅拌挤压（FSE）、循环挤压压缩（CEC）与等通道角挤压（ECAP）的工艺示意与关键步骤，强调机械变形过程中的材料致密机制及微观组织细化生成过程。配合微结构图（图22），展示塑性变形对晶粒结构的调控能力与改性效果。[page::13-16]

图23-25, 30-32（page::17-19, 25-27）

多图展示了KOBO挤压装置结构、芯片压制和挤压后的产品形貌、热挤压流程及冷压缩工艺影响因子、以及球磨参数对热挤压后材料性能的影响。大量实验数据验证热机械联合处理提升材料力学性能的潜能，体现了回收工艺从原料清洗、致密化到热加工的完整流程与关键控制点。[page::17-19, 25-27]

图26-29（page::22-24）

分别为机械切屑通过球磨转化为粉末的SEM图、粉末混合压制烧结流程示意图，以及CMD技术粉末与气体雾化粉末的拉伸强度对比图，突出对比新型低能耗CMD技术与传统雾化技术粉末制备效果，以及粉末粒径形貌对后续工艺性能的影响。[page::22-24]

图33（page::28）

该图展示了机器学习（ML）技术在增材制造全过程中的嵌入应用，包括设计、制造及后处理环节，ML主要应用于设计参数优化、加工参数趋势预测、过程异常检测与品质控制，可显著提升制造精度与产品性能。此图开启了未来高品质回收金属3D打印的智能制造路径。[page::28]

---

4. 估值分析

本报告不是金融研究报告，无直接财务估值内容。但技术价值体现在节能减排、回收率与材料性能提升。其中，直接转化方法较传统熔炼节能高达60%以上（FSE工艺节能达74%），材料直接回收率从54%提升至95%，从经济与环境双重角度具备巨大收益潜力。[page::12,13,27]

---

5. 风险因素评估

文中明确指出多熔炼法存在材料损失风险（电弧炉可达20%烧损），以及冶炼过程中生成氧化物夹杂物、气孔和杂质侵入，严重影响材料性能。采用真空、高纯环境（EBM、VAR）及等离子熔炼虽能降低风险，但设备成本高，工艺复杂。另外，增材制造用粉末的回收重用面临粉末形貌退化和粉末属性衰减风险，过度循环还可能导致性能降低。[page::4,5,7,9,23]

同时，直接转化工艺需要芯片来源均一、纯净度高，否则易产生界面结合不良及缺陷。冷却参数、热处理策略、压制压力及温度是影响最终性能的关键因素，若控制不严，性能波动风险大。[page::12-15,25]

---

6. 批判性视角与细微差别

• 技术成熟度差异：传统熔炼技术如EAF成熟，但热损失大且环保压力大；而直接转化、SPD技术虽节能且可实现优良力学性能，普及度和工业适用性还需提升。
• 材料限制及工艺兼容性：多数直接转化工艺针对铝及钛类合金效果良好，但针对复杂合金尤其镍基超合金的回收（尤其含钌、锇等难回收稀有元素）仍依赖高温熔炼和湿法冶炼。
• 回收源材料的复杂性：芯片含机油、冷却液及其他化学污染，清洗效果直接影响后续工艺成功率，报告多关注钛合金芯片的超声和化学清洗方案，但对于多种合金混合废料的回收流程缺乏深入讨论。
• 数据稀疏和工艺参数依赖性强：直接转化及增材制造回收粉末性能受多工艺参数影响强，部分机械性能和微结构演变缺乏丰富实证数据支撑，模型预测与实际生产差距仍大。
• 机器学习的实际引入尚处于早期：报告末尾强调AI/ML潜力，但具体案例和成熟工具尚不足，智能制造仍需广泛实验验证和标准化。[page::27,28]

---

7. 结论性综合

本文全面综述了制造废料回收的主流技术路径，结合传统熔炼工艺与直接转化技术、以及基于粉末的增材制造技术展开深层分析，涉及关键金属材料（铝、不锈钢、钛合金、镍基超合金）的回收利用。通过详实的图表和数据分析，报告明确指出：

• 传统熔炼方法易造成大量材料损失及环境负担，回收率有限；而直接转化方法（如FSE、CEC、HPT、ECAP、KOBO挤压）显著提高回收效率和力学性能，能形成细化晶粒并降低缺陷。
• 粉末冶金及气体雾化为增材制造提供高品质粉末原料，回收的废粉/粉末质量对零件性能至关重要；粉末形貌和循环次数控制为性能保证重点。
• 芯片清洗与预处理是确保回收成效的基础；温度、压力及变形工艺参数对金属的微观结构和长效性能影响巨大。
• 机器学习的引入是回收与增材制造技术发展的重要趋势，能实现参数优化、材料设计、生产过程监控与质量预警，推动绿色制造智能升级。
• 从能源消耗、材料回收率、环境效益和机械性能综合角度衡量，直接转化技术与智能增材制造相结合，将成为未来金属废料回收的主流方向。

综上，报告在技术内容专业详实、数据丰富，图表说明详细且具有较强说服力，为制造业废料循环利用提供了系统的理论与实践指导，有助于推动绿色制造与循环经济发展。作者最终确认，未来面向智能化、全过程监控及高效节能的回收体系，将对全行业的可持续制造产生革命性影响。[page::0-28]

---

参考文献

文中引用超千条文献，涵盖金属材料物理冶金、制造工艺评价、先进粉体制造、机器学习应用等领域，内容详实可查，确保了报告科学性和权威性。[page::29]

---

附： 重要图表缩略展示

1. 图1：CMD与GA粉末制备技术流程

2. 图4：传统vs直接转化铝回收产出比例饼图

1. 图5：钛芯片清洗流程

4. 图6-10：熔炼设备结构示意

1. 图18-21：SPD直接转化工艺示意

6. 图23-25：KOBO挤压与热挤压流程

1. 图28：机器学习在增材制造全流程的应用阶段

8. 图33：机器学习应用架构图

（以上图文均详见对应页码和文件路径）[page::1-28]

---

此详尽解析旨在帮助相关研究者、工程师及决策者全面理解金属制造废料回收的先进技术趋势、实际应用难点及未来发展方向。

报告