銅合金3D打印難點和激光吸收率影響因素

純銅及銅合金選區(qū)

激光熔化成型的難點：

金屬材料對激光的吸收率直接影響激光增材制造成形件質(zhì)量。盡管選區(qū)激光熔化成形銅及銅合金零件目前已經(jīng)有了大量的研究，但依然是難以解決銅對1064nm波長激光的高反射率問題。有學(xué)者對純銅板材及球形純銅粉末進行了激光吸收率實驗，檢測結(jié)果表面純銅板對1064nm波長激光的吸收率只有4%，球形度較高的銅粉激光吸收率為44%，近球形銅粉的激光吸收率為32%，激光吸收率較低直接導(dǎo)致激光增材制造過程中激光能量散失，熔池溫度過低，成形件會出現(xiàn)粉末未熔化，孔洞，致密度低等缺陷，進一步影響成形件的力學(xué)、導(dǎo)熱和導(dǎo)電性能。

激光功率600W，掃描速度1000mm/s，得到致密度為97.8%的純銅試樣

銅粉激光吸收率的影響因素：

如何提高銅對1064nm波長的激光吸收率，對于當(dāng)下的選區(qū)激光熔化成形的銅零件質(zhì)量至關(guān)重要。以下將從多個方面對激光吸收率進行研究。

01 粒度的影響

三種不同粒度分布的純銅粉末對不同激光的反射率如下圖所示，可見銅粉對激光的反射率會隨著波長的增加而增加，尤其在于高于550nm波長的波段，銅粉對激光的反射率迅速增加，這也是盡管1046nm紅外激光有著良好的致熱性但是SLM成形銅零件較為困難的主要原因。40-160um純銅粉對1064nm波長激光的吸收率為21.8%，15-53um范圍的激光吸收率為22%，5-35um范圍的激光吸收率為39.4%。

三種粒度分布的純銅粉末對不同波長激光的反射率及在1064nm波長出的激光反射率

金屬粉末的激光吸收率收到多種因素的影響，除了粉末材料本身的性質(zhì)之外，還收到粉體顏色、溫度、顆粒表面質(zhì)量、激光入射角度等因素的影響。粒度的變化引起銅粉色澤及激光在粉末顆粒間反射次數(shù)的變化，粉體顆粒越小，粉末色澤越暗，在一定范圍內(nèi)粉末粒度越小粉體對1064nm波長激光的吸收率越高。金屬粉末的粒徑越小，激光在粉體之間的反射次數(shù)會增加，間接提高粉體對激光的吸收率。

02 合金化影響

測試Cu-0.8 wt% Cr粉末的激光反射率并與純銅粉末的激光吸收率對比，Cu-0.8wt%Cr粉末在1064nm波長處的激光反射率為69.5%，相對于同等粒度分布純銅粉末的激光反射率有所下降，但是仍高于5-35um純銅粉的激光反射率，如下圖所示。已有實驗表明，與銅相比Cr具有更高的光吸收值，并且Cr元素固溶在Cu晶格畸變也會對激光吸收率產(chǎn)生影響，因此在相同的15-53um粒度范圍內(nèi)，由于加入了0.8wt%的Cr元素，Cu-0.8wt%Cr粉末的激光吸收率大于純銅粉末的激光吸收率，在1064nm處，Cu-0.8wt%Cr粉末的激光吸收率為30.5%，而15-53um純銅粉末該數(shù)值為22%。

Cu-0.8wt%Cr在不同波長的激光反射率和在1064nm處的激光吸收率

03 表面改性的影響

納米TiC是一種粒徑小，比表面積大，表面活性高的黑色粘性粉末，通常作為增強相加入金屬基體中提高材料性能，納米級的粉末在激光熔池中能夠快速均勻化，納米TiC在不同波長處的激光吸收率如下圖所示，由圖可見納米TiC的激光反射率并沒有隨著波長增長呈現(xiàn)大幅度波動，在1064nm波長處其激光吸收率依舊高達96.7%。以下將通過納米TiC表面改性來提高銅及銅合金粉末的激光吸收率。

納米TiC對不同波長激光的反射率及在1064nm波長處的激光反射率

采用球磨的方式將納米TiC包覆在銅粉表面，分別在三種粒度分布的純銅粉中加入0.05%、0.1%、0.2%、0.3%、0.4%質(zhì)量分?jǐn)?shù)的納米TiC并使用UV-3600Plus紫外分光光度計測試每種粉末的激光反射率。由下圖可知納米TiC的加入明顯降低了純銅粉的激光反射率，并且隨著納米TiC含量的增加激光反射率越來越小，呈有規(guī)律的梯度下降。納米級尺寸的TiC通過球磨的方式均勻的包覆在銅粉表面，遮蓋了銅粉原來的金屬光澤，再加上納米TiC本身對激光的高吸收率，顯著降低了銅粉的激光反射率。

三種純銅粉末加入不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)納米TiC后對不同波長激光的反射率。（a:5-35um, b:15-53um, c:40-160um）

04 合金化＋表面改性的影響

添加不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)納米TiC的Cu-0.8wt%Cr粉末在不同波長的激光反射率如下圖所示，波長相同時，銅粉激光反射率隨著加入納米TiC質(zhì)量分?jǐn)?shù)的上升而下降，當(dāng)加入的納米TiC質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.4wt%時，粉末激光吸收率為67.3%。測試結(jié)果表面合金化+表面改性的方法依舊能夠有效降低粉末的激光吸收率，這也為提高合金粉末的激光吸收率提供了一種思路。

圖添加不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)納米TiC的Cu-0.8wt%Cr粉末對不同波長激光的反射率

05 氧化處理

將三種純銅粉末以及Cu-0.8wt%Cr合金粉末放入剛玉坩堝中分別加熱至50℃、150℃、250℃、350℃并保溫5min,室溫下（RT）與氧化處理后測試等得到的激光反射率如下圖所示。三種純銅粉末在50℃與150℃并保溫5min條件下，其激光吸收率與未氧化處理粉末的激光吸收率相比變化較小，當(dāng)溫度升高至250℃并保溫5min后，粉末的激光反射率有了明顯的下降，并在350℃保溫5min的條件下達到了最大值，在350℃保溫5min的條件下5-35um、15-53um、40-160um三種純銅粉末的激光吸收率分別為61.7%，68.3%，64.8%。Cu-0.8wt%Cr粉末在50℃與150℃氧化處理后激光吸收率從30.5%分別提升到了41.2%，42.3%，在250℃和350℃氧化處理后激光吸收率分別提升到了76.9%，77.4%，與相同粒度分布的純銅粉末相比氧化處理后激光吸收率提升較大。

不同粉末分別在50℃、150℃、250℃、350℃保溫5min條件下不同波長處的激光射率（a:5-35um, b:15-53um, c:40-160um，d: Cu-0.8wt%Cr）

結(jié)論

提高金屬粉末激光吸收率的途徑有很多，但是在提高粉末激光吸收率的基礎(chǔ)上，是否能保證成形件質(zhì)量需要實驗來驗證，比如粉末粒徑越小，激光吸收率越高，但并不是說金屬粉末粒徑越小越好，因為選區(qū)激光熔化設(shè)備的鋪粉厚度是一定的，粉體粒徑小于設(shè)備的最小鋪粉厚度就無法正常鋪粉，所以合適的粒徑不能只看激光吸收率；對于合金化與表面改性方法，現(xiàn)有的銅合金已有成熟的體系，微量元素的加入對成形件質(zhì)量的影響需要實驗驗證；表面氧化的方法有效降低了銅粉末對激光的反射率，但是對于金屬增材制造的粉末來說，粉末氧含量越低其表面活性越小，熔化效果越好，成型致密度越高，盡管氧含量的增加使得粉末的激光反射率降低，但是要將粉末氧含量控制在合理范圍內(nèi)。

審核編輯 黃宇