典型合金循环利用研究进展及挑战

王曼，席晓丽，王亚楠，唐康尧

（1 北京工业大学首都资源循环材料技术省部共建协同创新中心，北京 100124；2 北京工业大学工业大数据应用技术国家工程实验室，北京 100124；3 北京工业大学材料与制造学部新型功能材料教育部重点实验室，北京 100124）

战略性新兴产业的发展已经成为推动我国产业结构升级、引领高质量发展的重要力量。《“十四五”规划和2035 年远景目标纲要》提出，要发展壮大高端装备制造、新能源等战略性新兴产业。作为关键基础材料，高性能合金的需求将随我国战略性新兴产业的持续发展而大幅增加。合金材料的制备往往需要消耗大量金属矿产资源，其中涉及多种战略性金属，如钨、镍等。金属矿产资源的持续开采不仅对环境造成极大破坏，而且其储量和品位日趋降低，严重制约可持续发展。基于关键矿产资源对国家安全和新兴产业的重大意义，欧美等发达经济体先后制定了关键矿产发展战略，如美国2017年发布的《美国关键矿产资源——经济和环境地质及未来供应展望》和欧盟2018 年颁布的《关键原材料和循环经济》[1]。

面对资源约束趋紧和环境污染严重的严峻形势，发展循环经济已经成为实现可持续发展的重要出路[2]。硬质合金、轻质合金及高温合金是在国民经济和国防建设领域中具有广泛且重要应用的高性能合金，其中最具代表性的是碳化钨硬质合金、轻质铝合金和高温镍基合金。本文以这3类典型合金为研究对象，重点总结了每种合金对应的金属矿产资源概况、废料特点及回收再利用现状。在此基础上，对高性能合金的发展方向进行了展望。

1 碳化钨硬质合金

1.1 全球钨资源概况

难熔金属钨具有优良的物理和化学性能，其制品广泛应用于国民经济、国防和高新技术等重要领域，是现代工业发展不可替代的稀缺战略性原材料。根据美国地质调查局（United States Geological Survey，USGS）2021年1月公布数据，全球钨资源产量及储量见表1，其中中国钨资源储量占比为56%，在全球具有绝对优势。全球钨资源供应来源包括钨精矿和二次钨资源再生利用，两者占比分别为65%和35%[3]。中国主要是产出钨精矿且供应量常年占全球82%以上。考虑到钨矿储量递减趋势日益严重及其难以替代性，中国已经将钨矿列入战略性矿产目录，是国家实行保护性开采的特定矿种。但是，经过近百年的持续开采，易选易冶的优质黑钨矿已消耗殆尽，白钨精矿品位也逐年下降。因此，为了保障我国钨矿资源的代际安全和竞争优势，亟待加强对钨二次资源的循环利用。

表1 全球钨资源产量及储量

1.2 废旧硬质合金

全球约55%的钨资源用于硬质合金的生产与制备，如图1(a)所示。硬质合金是由碳化钨等硬质相与钴等黏结相通过粉末冶金工艺制得的一种合金材料，具有较高的硬度、耐磨性等优异力学性能，被称为工业牙齿，在机械制造、采矿和石油开采、航空航天、国防等重要领域均有广泛应用，如图1(b)所示。因此废旧硬质合金的回收利用是二次钨资源循环再生的主要内容。废旧硬质合金种类、成分特点及主要来源见表2。

表2 废旧硬质合金种类、成分特点及主要来源

图1 世界钨资源的消耗及硬质合金的用途[4]

1.3 废旧硬质合金回收再利用技术

废旧硬质合金的回收再利用及其产业化应用越来越受到世界各国的重视。瑞典山特维克（Sandvik）30%以上的硬质合金产品是以废旧合金为原料生产的，日本日立工具公司和日本钨业也在大力发展废旧硬质合金的回收再利用业务。我国在废旧硬质合金回收再利用方面的研究工作起步较晚，钨资源的整体再生利用率较低[5]，具有较大发展潜力。硬质合金回收再利用的关键是如何使硬质相和黏结金属分离，目前常用方法有机械破碎法、锌熔法、高温处理法和电化学法。

机械破碎法是一种较为简单的回收方法，它不改变硬质合金废料的化学组成且无需分离钨钴，对硬质合金废料表面做清洁处理后进行机械破碎和球磨，便可得到相同成分的硬质合金混合料[6]。但是，破碎法在回收过程中容易引入其他杂质元素如铁和氧，同时难以满足细颗粒的要求，所以该方法生产的硬质合金品质较差。此外，机械破碎法不太适合处理强度较高的高钴硬质合金，限制了该方法在工业生产中的应用。

锌熔法处理废旧硬质合金是基于锌与黏结相钴可形成低熔点合金，使黏结相金属从硬质合金中分离出来，进而破坏硬质合金的结构；经过真空蒸馏除锌后，得到海绵状合金块，再将其破碎并研磨成制备硬质合金的原料粉末[7]。真空蒸馏冷凝得到的锌可反复使用，有利于降低成本。该方法适合处理钴含量低于10%的废旧硬质合金，是目前应用最为广泛的回收硬质合金的技术之一[8-9]。但是，锌熔法制备得到的回收料中会残留较高含量的锌，影响产品纯度。此外，能耗高和安装设备造价高也是影响其工业化应用的限制因素[10]。

高温处理法是在保护性气氛中对废旧硬质合金进行高温加热，黏结相钴因熔解而体积膨胀，使废旧硬质合金整体呈疏松多孔的蜂窝结构，便于后续的破碎和研磨。日本新金属公司利用该方法处理YG及YW系列合金，年产量可达80t。我国株洲硬质合金厂也开展了相关研究工作[5,11]。该方法的优势在于高温处理过程中，废旧硬质合金中微量金属和非金属杂质会通过挥发得到有效清除。而且，液相的出现有利于原子扩散使WC晶粒长大，晶粒缺陷得到有效削减，有助于改善再生合金结构和性能[12]。但是，高温处理法的能耗较高，而且高温阶段钴挥发损耗严重。此外，回收料只适合制备粗晶碳化钨。

电化学法是以废旧硬质合金作阳极，在外加电场作用下通过阳极溶解使黏结相钴分离出来。常用的电解液包括酸性和碱性两种，其对应的回收流程如图2(a)和(b)所示[13]。图2(a)为酸性电解质环境中，钴被氧化生成Co2+，进入电解质溶液并最终在阴极表面沉积，而未溶解的碳化钨留在阳极。与酸性电解质不同，钨可溶于碱性环境，因此利用碱性电解液回收废旧硬质合金备受关注[14]。图2(b)表示以氢氧化铵（NH4OH）溶液为电解质处理硬质合金，钴依然沉积在阴极表面，而钨以钨酸铵形式存在，再经过酸浸、煅烧、还原最终得到钨粉[15]。电化学法处理废旧硬质合金的主要限制因素包括电解效率较低、钴溶解造成阳极钝化及酸碱电解质对环境的污染等。针对这些问题，本文作者所在团队以熔融盐作为电化学介质，发明了熔盐电解回收废旧硬质合金的短流程、高效方法，并开展了系列研究工作[16-21]。

图2 电化学法回收废旧硬质合金流程[13]

图3 为熔盐电解处理废旧硬质合金的示意图[17]。以废旧硬质合金作为可溶阳极，在熔盐电解质中，硬质合金中有价金属以离子形式溶出，通过控制电位可使钴、钨先后在阴极沉积，分别得到金属钴和钨产品，实现了废旧硬质合金短流程再生利用[16-17,22]。为了探究熔盐电解回收废旧硬质合金的机理并获得优化的工艺参数，本文作者课题组系统研究了不同熔盐体系、电解时间、温度和电压对电解过程的影响规律。通过电化学分析研究发现，在NaCl-KCl熔盐体系中，硬质合金中钨是以W6+形式溶入熔盐体系并在阴极沉积[21]。该过程是受扩散控制的可逆过程，且碳化钨电解的难易程度主要取决于阳极电位。在此基础上，通过添加活性物质如钨酸钠，可有效提高硬质合金的溶解效率及体系电流效率。当添加量为0.5%时，阴极和阳极的电流效率分别提高至67.2%和68.9%。添加的钨酸钠作为活性粒子，在NaCl-KCl 熔盐体系中提供了电子转移途径，并最终促进了电化学反应[20]。

图3 熔盐电解废旧硬质合金的示意图[17]

1.4 废旧硬质合金回收再利用技术总结及展望

废旧硬质合金回收再利用对保障我国优势矿种的代际安全和竞争优势具有重要意义。废旧硬质合金回收再利用技术主要以火法为主，其次是电化学法与湿法结合。目前，火法回收技术的主要缺点是能耗高且会产生污染性气体。电化学法与湿法相结合的主要限制性因素是电解效率较低且流程长。因此，具有较高电解效率且能选择性溶出黏结相钴与钨产品的熔盐电解法有望在未来获得广泛应用。

2 轻质铝合金

2.1 全球铝资源概况

铝在地壳中的含量仅次于氧、硅，是地壳中含量最丰富的金属元素。因其具有低密度、导电导热、易加工、耐腐蚀等优异特性，在航空航天、汽车制造、建筑和电子电器等重要领域均有广泛应用，成为仅次于钢铁的第二大金属材料[23]。铝土矿是生产金属铝的重要原料。图4为2020年世界各国铝土矿的存储量，排名前五的国家有几内亚、澳大利亚、越南、巴西和牙买加。相比之下，中国铝土矿保有量仅占世界的3.3%且资源禀赋差，远不能满足国内需求。中国长期从澳大利亚、牙买加、印度和巴西等国进口铝土矿，对外依赖度维持在40%～50%之间[24]。随着铝消费量的快速增加，铝的社会积累量也显著增加，因此对废铝资源进行回收再利用将有望缓解铝土矿的供需矛盾，降低对外依赖度。

图4 2020年世界各国铝土矿的存储量（Statista公开数据）

2.2 再生铝

根据生产原料和工艺的不同，铝可分为原铝和再生铝两大类。原铝是以铝土矿为原料，通过拜耳法（Bayer process）制备氧化铝，再采用霍尔-赫罗尔特工艺（Hall-Heroult process）电解得到金属铝[25]；电解铝可用于铸造纯铝型材或添加不同合金元素制备铝合金。采用原铝制备铝合金具有纯度高的优势，但是原铝的生产也存在铝矿资源消耗、能耗大、周期长等缺点[26]。再生铝是指以废铝为主要原料，经过预处理、熔炼、精炼、铸锭等流程制备得到铝合金[27]。其中，废铝料包括新废铝和旧废铝。新废铝是在产品制造过程中因成分或性能不合格而报废的铝产品，旧废铝是指铝制品经过服役后回收得到的废铝。表3列出了原铝和再生铝的主要区别。可以看出，发展再生铝不仅有助于节能减排、保护环境，而且能够节约自然资源，降低我国铝土矿对外依赖度，具有显著的经济优势。

表3 原铝和再生铝的区别

美国、日本等发达国家十分重视废铝回收。作为现代铝工业的发源地，美国自2001年起再生铝已经超过原铝产量，实现了以电解铝生产为主向再生铝生产为主的重要转型；日本2018年再生铝产量占比100%[27]。2019年全球再生铝产量占比约为33%，而中国再生铝产量占比仅为17%，远远落后于发达国家。中国再生铝行业还具有很大发展空间。

2.3 废铝回收再利用技术

铝的抗腐蚀性能较强，在使用过程中损耗程度低，具有极高的再生利用价值。铝合金主要分为铸造铝合金和形变铝合金[28]。饮料罐用铝主要是含Mn 元素的3xxx 系合金，汽车板及建筑用铝主要是含Si、Mg 元素的6xxx 系合金，2xxx 和7xxx 列合金主要用于航空航天领域[29-30]，表4 列出了这些常见铝合金的化学成分。不同牌号合金成分相差较大，特别是微合金元素，这给回收处理废旧铝合金带来极大挑战。图5为2019年我国再生铝原料供应与产品结构[31]。其中，再生铝“降级回收利用”的问题比较严重，即以废铝为原料生产铸造合金。因为铸造合金可以吸纳更高含量的Si杂质[32]。尽管“降级回收利用”达到了循环利用的目的，但是降低了循环经济的质量，特别是无法实现优质废旧铝合金的固有价值。因此，实现废铝“保级或升级回收利用”具有重要意义，其关键技术是如何去除有害杂质元素。

表4 常见铝合金的化学成分（质量分数）

图5 2019年我国再生铝原料供应与产品结构[31]

废旧铝合金再生利用过程包括废旧铝合金的预处理、重熔再生和熔体精炼。由于不同牌号废旧铝合金成分不同，增加了回收再生的难度，因此需要先通过预处理对其进行分离分类。通过物理方法将铝与废铜、废铁、废塑料、油漆等杂质进行分离，为后续制备再生铝作准备。图6为采用物理方法对废铝料进行分离的流程，这些物理方法主要包括磁分离、风选分离、涡流分离及光谱分离方法等[33]。磁分离技术利用NdFeB 磁体对废钢铁等磁性物质进行筛分，这项技术在再生铝工业中得到了广泛应用，但是收集得到的有色金属中依然含有大量非磁性杂质。风选分离法基于不同杂质密度差异，利用一定压力的风将铝废料中的废塑料、废橡胶等一些轻于铝的杂质吹走，达到分离目的[34]。涡流分离技术[35]是利用在交变磁场中金属材料内部形成涡电流，磁场会对带涡电流的金属产生排斥力，当金属颗粒所受洛伦兹力大于其重力时，该金属颗粒会被从皮带运送轨道上弹出不同距离而被分离。浮选分离法是利用已知重力的水基悬浮液对不同密度的非铁废料进行分离。光谱法是近些年发展的分离铝镁合金的方法。利用X射线、中子束和激光脉冲检测器与金属产生不同信号，电脑对信号进行处理，然后将废料送入相应的收集箱中。

图6 废铝料预处理流程

重熔再生阶段指将预处理后的废铝料加入炉中到铝液出炉，是主要的能源消耗过程。图7为废铝重熔再生过程流程，主要包括加料、加热熔化、添加辅料、除渣、在线合金化，最终得到金属熔体。20 世纪90 年代的炉型主要为高功率感应坩埚和对流式L型熔铝炉。为了进一步减小烧损率，目前主要熔炼设备有回转炉、竖炉、双室熔炼炉和反射炉[36]。熔体精炼对控制元素含量和产品的机械性能具有重要作用，其主要作用是进一步去除金属杂质及夹杂物，以获得具有较好品质的再生铝。与原铝相比，再生铝中含有的杂质元素较多，包括Mg、Zn、Fe、Cu 等。根据废铝料中相关元素的Ellingham 图[37]，通过简单氧化反应只能有效去除Mg 和Ca，其他杂质则难以去除。Zn 杂质的存在损害铝合金的焊接性能，目前去除Zn 杂质的方法包括搅拌法和沉淀法。搅拌法是通过直接搅拌铝熔体，促进氧气进入熔体而使Zn 氧化，达到除Zn的目的。但是该方法会造成Al 和其他元素的烧损，同时造成熔体吸气产生大量夹杂。沉淀法利用Zn 的密度比铝液中其他有用元素大，通过长时间静置会使Zn 沉在炉底，达到除Zn 的目的。Fe的去除方法包括溶剂法和电磁法。目前，工业上采用加Mn 或B 以改变Fe 在铝液中的存在形式和分布状态，达到除Fe 效果。电磁法是利用富铁相和熔体在导电性、电磁性方面的差异，对铝熔体进行电磁过滤，以去除富Fe 相。此外，还可以通过添加助溶剂对熔体进行精炼[38]。常用的助熔剂包括氯盐（如KCl、NaCl、AlCl3） 和氟盐（如AlF3、NaF、CaF2）。通过添加AlCl3，Mg 会与其反应生成密度较小的MgCl2，最终MgCl2进入炉渣被分离。但是，氟盐和氯盐作为精炼剂，产物HCl气体对人体和设备都有较大损害。目前，还可以利用稀土元素和铝熔体的相互作用，采用稀土合金对再生铝进行变质、细化和精炼的一体化处理。该方法简洁高效，可有效改善再生铝质量且不会产生有害气体[39]。

图7 废铝重熔再生过程流程

2.4 废铝回收再利用技术总结及展望

再生铝的循环再生具有流程短、能耗低等特点，是解决我国铝土矿资源短缺的有效途径。由于不同牌号废旧铝合金所含合金元素种类和含量不同，因此需要有明确的分类标准及回收系统。航空废铝具有较高的回收价值，但是尚无完善的飞机涂层处理和冶炼工序是限制其回收利用的关键因素，因此应该加大航空废铝高效回收再生技术的研发力度。此外，与国外相比，我国在再生铝回收再生的“重熔再生和熔体精炼”方面还存在较大差距，如何进一步提高金属收率是未来重点发展方向。

3 高温镍基合金

3.1 全球镍资源概况

镍是一种铁磁性金属元素，具有耐腐蚀、耐高温、抗氧化、延展性好等优良性能，广泛用于冶金、化工、航空航天等领域，是制备不锈钢、高温合金、动力电池等材料的重要原材料，属于关键战略 金 属 资 源[40]。表5 为USGS 在2021 年1 月 公 布 的全球镍资源产量及储量数据。世界镍资源主要分布在印度尼西亚、澳大利亚、巴西和俄罗斯，而我国镍资源储量占比不足3%，属于典型“少镍”国家。随着社会经济的发展，镍资源在新材料、新能源、低碳环保等战略性新兴产业中扮演着日益重要的角色，日本、美国先后将镍列为关键矿产，我国在2016年颁布的《全国矿产资源（2016—2020年）》第一次将金属镍纳入战略性矿产名单。我国是世界第一大镍资源消费国[41]，主要依靠从印度尼西亚和菲律宾进口，对外依存度高达95%。因此，如何保障镍资源的持续供给对国家安全和经济发展至关重要。

表5 全球镍资源产量及储量

3.2 镍基高温合金返回料

根据2020 年世界镍资源的消费结构情况[42]，不锈钢对镍的消费需求量最大，约为70%。合金领域是镍资源消费的第二大领域，主要包括镍基高温合金和其他含镍合金钢，各占镍资源消耗的8%。此外，新能源电动汽车的快速发展将使镍需求量继续增加，目前这一比例约为5%。上述产品报废后会产生大量含镍废料。对含镍废料进行回收再利用，可以降低废旧金属对环境、水质的有害影响，同时能为关键战略金属资源镍的持续供给提供重要保障。

含镍废料主要有废含镍合金、电镀废弃物、废镍催化剂、废有色金属冶炼渣[43-44]，其中废旧镍基高温合金因其制备工艺先进且含有多种战略金属元素[45]，具有重要的回收再利用价值。镍基高温合金具有优异的高温强度和组织稳定性，是航空航天热端部件不可或缺的关键金属材料。高温合金精铸件的收率通常为20%～30%，某些形状复杂的零件甚至只有10%，即70%以上的高温合金产品是以料头、浇道、冒口、切屑和报废零件等形式存在，统称为高温合金返回料[46]。随着航空航天的科研创新，高温合金使用量会逐年攀升，其返回料数量也会随之增加。根据国际镍协会（Nickel Institute）的调研结果，2010 年全球镍资源回收利用率达到68%。USGS 公布数据表明，美国2020 年再生镍供应量占比接近50%。我国再生镍占比仅为27.1%，我国再生镍行业具有很大发展空间。

3.3 镍基高温合金返回料回收再利用技术

根据再利用方式，镍基高温合金返回料分为4类[47]：①原级使用返回料，经熔炼后和新料一样用于制备零件；②搭配使用返回料，以一定比例和新料混合熔炼合金；③降级使用返回料，降低成分或性能要求以制备低级别合金；④通过湿法或火法冶金提取返回料中有价金属元素。返回料利用率随回收级别的降低而逐渐减低，且能耗、成本、环境负荷不断增高，所以应力争实现同级回收，避免降级利用。早在20 世纪90 年代，美国已经能将高温合金返回料的70%实现同级使用，20%降级使用，剩余10%用于提取有价金属元素[48]。我国的高温合金返回料降级使用率较高，造成了严重的资源浪费。

不同学者研究了镍基高温合金返回料对合金性能的影响[49-52]，均发现返回料的添加会降低合金性能。余乾等[50]研究了返回料比例对镍基高温合金K465 组织和性能的影响。将冒口、底盘等返回料经吹砂、清洗处理并重熔的返回料母合金锭按照一定比例与新料混合，在真空感应炉内浇注成型棒状合金。研究结果表明，合金中显微疏松等缺陷的数量和尺寸随返回料添加比例的增加而增加，合金塑性明显降低。添加返回料使合金性能降低主要和返回料中夹杂物有关。与新料相比，返回料中夹杂物的数量和种类更多，会造成组织疏松并加重元素偏析程度，降低组织稳定性和力学性能。此外，返回料的氧氮含量较高，容易和合金元素Ti、Al 等形成氮氧化物夹杂，成为高温合金疲劳裂纹的源头和扩展通道，降低合金的疲劳和持久寿命[51]。因此，如何控制夹杂物和氧氮含量是提高返回料合金质量和再利用率的关键。目前，提高高温合金纯净度的方法有旋转铸锭法、泡沫陶瓷过滤法、复合熔盐净化法等。旋转铸锭法通过旋转锭模，使较轻的夹杂物在离心力的作用下集中到铸锭的中心部位，聚集形成较大的夹杂物，然后在浮力的作用下上浮到冒口处，最后切割冒口将夹杂物去掉。泡沫陶瓷过滤法利用泡沫陶瓷过滤网，将金属熔体中杂质俘获，减少熔体金属中非金属夹杂物，使合金得到净化[53]。复合熔盐净化处理通过吸附金属熔体中异质晶核，减少合金中夹杂物数量，获得纯净度较高的液态金属，减轻凝固组织的偏析程度[54]。

按照工艺流程，镍基高温合金废料回收利用方法分为火法工艺、湿法工艺和火法湿法结合工艺。火法工艺是将高温合金废料在真空感应炉或电渣炉中进行二次熔融，对其进行分离纯化以去除非金属夹杂物，制备新的合金铸锭[55]。图8 为火法工艺回收高温合金废料的流程[45]。火法工艺具有效率高、流程短等优势，但是能耗大、回收纯度不够高，且易造成金属损失。此外，合金回收率受合金牌号、组成等因素影响较大，造成再生料高值化利用不足，因此火法工艺在高温合金再生领域还未实现大规模工业化应用。湿法工艺是利用酸溶或电解方式使合金废料以离子形式进入溶液，再通过萃取、沉淀和离子交换等工艺对回收的金属元素进行分离、提纯[56]。与火法工艺相比，湿法工艺具有能耗低、分离提纯产品附加值高等优点，常用于回收高温合金废料中的Co、Ni、Mo、Re、Ta、Nb 等重要金属，如图9 所示[45]。镍基高温合金的优异性能及多种类合金化元素对其回收利用造成了一定的挑战。为了改善镍基高温合金的高温强度和抗腐蚀能力，通常会添加较高含量的Al、Cr；当高温合金在强氧化性酸中溶解时，这些合金元素容易形成致密的钝化膜，从而降低合金的溶解速率，影响其回收效率。这是湿法回收高温合金废料面临的首要障碍。火法湿法工艺结合两者的优点，首先用火法改变高温合金高强度、稳定性好的特点，再利用物理和化学方法将合金元素以离子形式溶解，最后利用湿法工艺将其分离回收。Kim 等[57]研究了多步法提取回收PWA1484镍基高温合金中的Ni和Re，流程如图10 所示。首先，将镍基合金废料与铝粉在1500℃进行预处理得到粒径为150µm 的粉末；再利用盐酸实现对Ni、Al、Co、Cr 的浸出，97.6%的Re 和Ta 沉积到残渣中；最后，使用电解产生的氯气作为氧化剂从残渣中选择性浸出Re，而Ta 留在残渣中。

图8 火法工艺回收高温合金废料流程[45]

图10 多步法提取回收PWA1484镍基高温合金中的Ni和Re[57]

3.4 镍基高温合金返回料回收再利用技术总结及展望

鉴于镍基高温合金返回料的高回收价值及其含有的众多稀有金属，加强其回收再利用对缓解我国镍资源短缺具有重要意义。镍基高温合金具有高韧性和高强度等优异性能，这给其回收再利用带来极大挑战。目前，有统计表明火法回收高温合金会损失20%的合金元素，这是限制火法回收工业化应用的主要因素。湿法回收技术可以有选择性地提取有价金属元素且产品纯度较高，但是如何同时回收Ni、Co 及其中的十几种稀有战略性金属元素是目前面临的重要挑战。因此，如何降低火法回收技术造成的金属损失并提高湿法回收能力是未来重点发展方向。

4 材料素化助力可持续发展

作为关键基础材料，高性能合金对我国战略性新兴产业的发展具有重要意义。例如，作为火箭发动机核心部件燃烧室和涡轮机的关键用材，高温合金随我国航天产业的发展而呈现需求持续增长的态势。材料科学家的首要任务是如何获得具有优异强度、蠕变抗力等综合性能的合金。从材料发展历史看，合金性能的改善主要是通过添加合金元素和增加强化相等途径实现的[58]。这不仅使材料成本不断增加，还给废旧合金的回收再利用带来极大挑战。因此，为了实现金属可持续发展，需要利用材料全生命周期思想进行重新审视，即不仅要考虑矿产开采、金属制备，还要考虑产品使用及报废产品整个流程的影响因素[59]。材料素化是指通过跨尺度材料组织结构调控实现材料性能提升，减少合金元素的使用，从而促进废旧合金回收和再利用[60]。目前，材料素化得到世界各国科学家和政策制定者的重视，但目前的难点在于如何保障调控后组织结构的稳定性，这将是未来重点发展方向。

5 结语

钨矿、铝土矿和镍矿分别是制备碳化钨硬质合金、轻质铝合金及高温镍基合金的关键矿产资源。虽然我国钨矿储量具有绝对优势，但是长期开采使矿石品位降低且储量日趋减少；而铝土矿和镍矿对外依赖度长期较高，对国家安全和经济发展造成安全隐患，特别是不利于我国战略性新兴产业的发展。为了保障关键矿产资源的竞争优势和安全持续供给，亟需加强对废旧合金进行循环利用。与发达国家相比，我国在合金废料循环利用方面还存在较大差距。

（1）缺少分类和降级利用是合金废料循环利用领域最为突出的问题，特别是未能充分利用航空级铝材和镍基高温合金的优异品质。因此，需要尽快建立规范化的分类系统，为实现合金材料“闭环循环”奠定基础。

（2）大部分回收利用技术是以提取废料中的有价金属元素为目的，造成回收流程长、能耗高等问题。因此，高效短流程回收技术是未来应关注的发展方向。

（3）从源头出发，通过降低合金化程度实现材料素化的成分设计理念，基于组织调控制备高性能合金，将有助于实现金属材料的回收利用，促进可持续发展。