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。#銅合金激光吸收率 #3d打印銅合金
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-0.8 wt% 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)
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(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)
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