銅合金3D打印難點(diǎn)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(diǎn)：

金屬材料對(duì)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(duì)1064nm波長(zhǎng)激光的高反射率問(wèn)題。有學(xué)者對(duì)純銅板材及球形純銅粉末進(jìn)行了激光吸收率實(shí)驗(yàn)，檢測(cè)結(jié)果表面純銅板對(duì)1064nm波長(zhǎng)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(guò)程中激光能量散失，熔池溫度過(guò)低，成形件會(huì)出現(xiàn)粉末未熔化，孔洞，致密度低等缺陷，進(jìn)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(duì)1064nm波長(zhǎng)的激光吸收率，對(duì)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(gè)方面對(duì)激光吸收率進(jìn)行研究。

1.   粒度的影響

三種不同粒度分布的純銅粉末對(duì)不同激光的反射率如下圖所示，可見(jiàn)銅粉對(duì)激光的反射率會(huì)隨著波長(zhǎng)的增加而增加，尤其在于高于550nm波長(zhǎng)的波段，銅粉對(duì)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(duì)1064nm波長(zhǎng)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%。

圖 三種粒度分布的純銅粉末對(duì)不同波長(zhǎng)激光的反射率及在1064nm波長(zhǎng)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(duì)1064nm波長(zhǎng)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(huì)增加，間接提高粉體對(duì)激光的吸收率。

2.   合金化的影響

測(cè)試Cu-0.8wt% Cr粉末的激光反射率并與純銅粉末的激光吸收率對(duì)比，Cu-0.8wt%Cr粉末在1064nm波長(zhǎng)處的激光反射率為69.5%，相對(duì)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(shí)驗(yàn)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(huì)對(duì)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(zhǎng)的激光反射率和在1064nm處的激光吸收率

3.   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(qiáng)相加入金屬基體中提高材料性能，納米級(jí)的粉末在激光熔池中能夠快速均勻化，納米TiC在不同波長(zhǎng)處的激光吸收率如下圖所示，由圖可見(jiàn)納米TiC的激光反射率并沒(méi)有隨著波長(zhǎng)增長(zhǎng)呈現(xiàn)大幅度波動(dòng)，在1064nm波長(zhǎng)處其激光吸收率依舊高達(dá)96.7%。以下將通過(guò)納米TiC表面改性來(lái)提高銅及銅合金粉末的激光吸收率。

納米TiC對(duì)不同波長(zhǎng)激光的反射率及在1064nm波長(zhǎng)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(jì)測(cè)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(lái)越小，呈有規(guī)律的梯度下降。納米級(jí)尺寸的TiC通過(guò)球磨的方式均勻的包覆在銅粉表面，遮蓋了銅粉原來(lái)的金屬光澤，再加上納米TiC本身對(duì)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(duì)不同波長(zhǎng)激光的反射率。

（a:5-35um, b:15-53um,c:40-160um）

4.    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(zhǎng)的激光反射率如下圖所示，波長(zhǎng)相同時(shí)，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(shí)，粉末激光吸收率為67.3%。測(cè)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。

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

5.   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(cè)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(dá)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(zhǎng)處的激光反射率

（a:5-35um,b:15-53um, c:40-160um，d: Cu-0.8wt%Cr）

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(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證，比如粉末粒徑越小，激光吸收率越高，但并不是說(shuō)金屬粉末粒徑越小越好，因?yàn)檫x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(wú)法正常鋪粉，所以合適的粒徑不能只看激光吸收率；對(duì)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(duì)成形件質(zhì)量的影響需要實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證；表面氧化的方法有效降低了銅粉末對(duì)激光的反射率，但是對(duì)于金屬增材制造的粉末來(lái)說(shuō)，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)。

參考文獻(xiàn)：《銅及銅合金粉末的激光吸收率及其選區(qū)激光熔化成形研究》，申繼標(biāo)，昆明理工大學(xué)