香港中文大學(xué)《AM》：高精度激光粉末增材制造純銅！

來源：材料學(xué)網(wǎng)

導(dǎo)讀：純銅由于其卓越的導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性，在工業(yè)中被廣泛用作傳熱和電磁應(yīng)用的基礎(chǔ)金屬。激光粉末床融合（LPBF）由于其高分辨率和粉末床支持，能夠打印光滑的曲面和復(fù)雜的幾何形狀。然而，LPBF制造純銅一般需要400W以上（通�？蛇_(dá)1000W）的激光功率，因為它具有高紅外激光純銅的反射。因此，激光光學(xué)元件可能會被高功率激光的背反射損壞。本文開發(fā)了一種具有小激光光斑 (25 μm)、細(xì)粉(5-25 μm) 和小層厚 (10 μm)的高精度 LPBF (hp-LPBF) 系統(tǒng)，可以實現(xiàn)全致密化在相對較低的激光功率下具有高分辨率和低粗糙度的純銅元件。經(jīng)過熱處理，電氣性能可進(jìn)一步提高到96% IACS。具有復(fù)雜蜂窩結(jié)構(gòu)的純銅部件打印壁厚為 100 μm，頂/側(cè)/底表面粗糙度 Ra 為 3.3/14.8/19.2 μm�？傮w而言，與傳統(tǒng) LPBF 相比，hp-LPBF 已證明其能夠以相同水平的相對密度和屬性打印更精細(xì)、更光滑的純銅零件。

純銅是一種必不可少的材料，具有高導(dǎo)電率（國際退火銅標(biāo)準(zhǔn) [IACS] 102%）和400 W/m·K的熱導(dǎo)率，通常應(yīng)用于傳熱和電磁應(yīng)用。具有復(fù)雜幾何形狀的銅零件在眾多行業(yè)中也發(fā)揮著關(guān)鍵作用，這是其他材料難以替代的。另一方面，近年來增材制造的發(fā)展，包括粉末床融合（PBF）、粘合劑噴射（BJ）和定向能量沉積(DED) 使制造復(fù)雜的金屬部件成為可能，包括純銅部件和結(jié)構(gòu)。與傳統(tǒng)加工技術(shù)相比，PBF 提供了高分辨率并提高了材料利用率。因此，銅的增材制造工藝主要集中在粉末床熔融（PBF）上。

通常，銅上的 PBF 包括激光粉末床熔化 (LPBF) 和電子束粉末床熔化 (EB-PBF)。由于EB-PBF沒有光反射引起的能量損失，EB-PBF印刷的銅部件具有高密度和良好的性能，導(dǎo)電率超過100% IACS。一般來說，使用 EB-PBF 很難實現(xiàn)高分辨率。盡管已經(jīng)嘗試使用 15-53 μm 銅粉來實現(xiàn)低粗糙度。另一方面，LPBF 還利用粉末尺寸在 15-53 μm 或更小的范圍內(nèi)的各種層厚來探索高精度制造的可能性. 因此，使用 PBF 制造薄壁或光滑曲面的能力一直是研究界的極大興趣。

LPBF 制造銅的挑戰(zhàn)來自其高激光反射和熱導(dǎo)率。通常，純銅塊體或粉末在大多數(shù)商用光纖激光器設(shè)備上使用的波長（1060-1080 nm）處對激光能量的吸收率較低。高激光反射率導(dǎo)致高激光功率需求。此外，銅的高電導(dǎo)率導(dǎo)致快速冷卻，與其他電導(dǎo)率低的金屬相比，這導(dǎo)致熔池狹窄。由于銅的背反射，高激光功率會在暴露 12 小時后損壞激光光學(xué)元件，這限制了進(jìn)一步增加激光功率以致密化部件的方法。

銅制造過程中高功率激光的反射可能會損壞光學(xué)鏡。在低功率下打印高反射組件是一種有吸引力的替代方案。通過減小激光光斑、切片層厚度和粉末尺寸，同時保持激光體積能量密度，低功率激光可用于制造完全致密的部件。據(jù)報道，較小的銅粉吸收更多的激光能量。因此，進(jìn)一步同時減小激光光斑尺寸、粉末尺寸和層厚是正確的方向。

在此，香港中文大學(xué)研究團(tuán)隊采用了 hp-LPBF 機(jī)器，結(jié)合了細(xì)束斑 (25 μm)、細(xì)粉末尺寸 (5–25 μm) 和小層厚度 (10 μm)。使用薄壁和立方體來獲得最佳參數(shù)，并測量 RD、表面粗糙度和電性能以研究參數(shù)的不同影響。觀察側(cè)面和熔池形態(tài)以揭示工藝參數(shù)對潛在機(jī)制的影響。采用熱處理以進(jìn)一步提高電導(dǎo)率。最后，打印復(fù)雜的薄壁晶格樣品以展示 hp-LPBF 的制造能力。相關(guān)研究成果以題“High-precision laser powder bed fusion processing of pure copper”發(fā)表在增材制造頂刊Additive Manufacturing上。

論文鏈接：https://www.sciencedirect.com/sc ... i/S2214860421005704

1.研究了由具有不同參數(shù)的單軌道打印的薄壁的尺寸和粗糙度。在 160-200 W 功率和 650 mm/s 掃描速度下，可以實現(xiàn)頂面 Ra 小于 3 μm 和側(cè)面 Ra 小于 5 μm 的粗糙度。.hp-LPBF在激光功率為200 W、掃描速度為600 mm/s、HD為0.05 mm的條件下實現(xiàn)了RD為99.6%、頂/側(cè)表面粗糙度Ra為4.2/7.8 μm的批量打印。

圖1。(a)薄壁的制作方法(b)，(c) 基板上所有薄壁樣品的制作結(jié)果和分類 (d)-(f) 側(cè)面，以及 (g)-(i) 頂面LOF ，分別為致密化和過度融合樣品。

圖2。(a), (b) 不同參數(shù)組制作的頂/側(cè)面粗糙度Ra (c), (d) 寬度/深度與LED的關(guān)系及擬合結(jié)果。

圖3。(ac) LOF 側(cè)表面的微觀結(jié)構(gòu)，(df, i)致密化，(gh) 過度融合，(j) 不同參數(shù)組的樣品分類。

hp-LPBF 工藝中的 0.05 mm HD 已被證明是最佳參數(shù)，并且通過理論計算解釋了導(dǎo)致 LOF 現(xiàn)象的低 HD 和高 HD，這證明了 HD 對能量吸收的影響。對1~12 h和500~1000 ℃的熱處理參數(shù)進(jìn)行了測試，通過1000 ℃ 12 h的熱處理可以達(dá)到96% IACS和101.5 μm純銅晶粒尺寸的最佳條件。

圖 5。不同參數(shù)下熔池形態(tài)的變化，（a）-（c）功率組，（d）-（f）速度組，（g）-（i）HD組。

圖 7。(a)熱處理后樣品的電導(dǎo)率，(b) 熱處理后樣品的晶粒尺寸，(c)不同側(cè)面微觀結(jié)構(gòu)的光學(xué)顯微照片，底部說明了它們對應(yīng)的晶粒尺寸。

圖 8。(a) 壁厚為 100 μm 的印刷 TPMS 結(jié)構(gòu) (b) TPMS 壁的橫截面微觀形貌，(c) 頂/側(cè)表面的壁厚 (d) 頂/側(cè)/底表面粗糙度 Ra。

圖 9。(a) 線性/體積能量密度表示的工藝窗口(b) 不同HD的最小 LED 和吸收率的理論計算結(jié)果。

hp-LPBF 的最小頂壁厚度為 100 μm，用于打印復(fù)雜的純銅部件。最小側(cè)壁厚度為 149 μm，頂/側(cè)/底表面粗糙度顯示 Ra 為 3.3/14.8/19.2 μm。與打印純銅的其他AM技術(shù)相比，hp-LPBF 具有無與倫比的高分辨率和低粗糙度的綜合處理能力。

銅制造過程中高功率激光的反射可能會損壞光學(xué)鏡