近紅外激光系統(tǒng)激光粉床熔融純銅時(shí)溫度和光束大小對單道軌跡形狀的影響

來源： AM home 增材制造之家

使用激光粉末床熔融對銅進(jìn)行增材制造，可以生產(chǎn)出具有出色導(dǎo)熱性和導(dǎo)電性的高度復(fù)雜的部件。然而，通常使用的近紅外激光輻射對銅的加工由于其高反射率而具有挑戰(zhàn)性。然而，已經(jīng)證明使用高功率激光系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)高密度和導(dǎo)電性。為了使用不同的機(jī)器加工質(zhì)量可靠的純銅，必須了解形成連續(xù)熔道的條件。為此，將具有不同激光功率和掃描速度的熔道成形在涂有粉末層的銅基板上。改變基板的預(yù)熱溫度和光束尺寸，以測試不同的工藝條件。測量了熔池的深度和寬度，并詳細(xì)闡述了關(guān)系�；�于這些結(jié)果，制作了頂部具有離散熔道的立方體樣品。測量熔池深度，并與預(yù)測的熔池深度進(jìn)行比較，以研究從基材到工藝條件的復(fù)雜關(guān)系的可轉(zhuǎn)移性。研究發(fā)現(xiàn)，隨著預(yù)熱溫度的升高，在相同的峰值功率強(qiáng)度下，對于較大的光束直徑，熔道寬度和熔道深度都會增加。此外，在鎖孔熔道過程中可靠地形成連續(xù)的熔道。揭示了基體上熔道的熔道深度與詳細(xì)關(guān)系之間的良好一致性。然而，熔道軌跡比預(yù)期的要淺。

銅的高導(dǎo)熱性和導(dǎo)電性使其成為散熱器、熱交換器和感應(yīng)線圈的理想材料。增材制造的高設(shè)計(jì)自由度與出色的材料性能相結(jié)合，為優(yōu)化和更高效的組件提供了新的可能性。除了粘結(jié)劑噴射和電子束粉末床熔融外，激光粉末床熔融（LPBF）是一種可能的純銅增材制造技術(shù)。然而，近紅外 （NIR） 激光輻射的高反射率使純銅的加工具有挑戰(zhàn)性。在這種情況下，改用以綠色光譜發(fā)射的激光系統(tǒng)具有顯著優(yōu)勢。然而，這種激光系統(tǒng)目前僅用于專用設(shè)備，這使得近紅外激光系統(tǒng)因其顯著的成本優(yōu)勢和光束質(zhì)量而在 LPBF 機(jī)器中使用最廣泛。出于這個(gè)原因，已經(jīng)研究了諸如涂層銅粉或預(yù)熱基板等解決方案。然而，高溫下的雜質(zhì)和氧化會對電導(dǎo)率產(chǎn)生負(fù)面影響。

據(jù)報(bào)道，與國際退火銅標(biāo)準(zhǔn) （IACS） 相比，LPBF 的密度高達(dá) 99.8%，電導(dǎo)率高達(dá) 94%，在傳導(dǎo)和鎖孔熔池之間的過渡區(qū)使用純銅的近紅外激光輻射。然而，LPBF 中的熔道形成僅針對小于 45 μm 的光束直徑和高達(dá) 600 W 的激光功率進(jìn)行了研究。目前的 LPBF 機(jī)器配備了激光系統(tǒng)，可提供高達(dá) 1000 W 的激光功率和更寬的光束直徑，因此需要進(jìn)一步研究。

在LPBF過程中，可能會發(fā)生熱量積聚，從而導(dǎo)致變形或氣孔。因此，了解在什么條件下可以可靠地形成連續(xù)的熔道，可以提高工藝穩(wěn)定性，并使工藝參數(shù)能夠從一臺機(jī)器轉(zhuǎn)移到另一臺機(jī)器。該團(tuán)隊(duì)通過改變成形的光束直徑和預(yù)熱溫度，了解不同工藝條件對純銅單熔道形成的影響。出于這個(gè)原因，在基板上成形了不同的激光功率和掃描速度的單個(gè)熔道。熔道寬度和熔道深度的關(guān)系是通過歸一化焓來計(jì)算的。此外，在立方體頂部打印了單獨(dú)的熔道，以研究這種關(guān)系與穩(wěn)定狀態(tài)下工藝條件的可轉(zhuǎn)移性。

使用兩種不同的機(jī)器設(shè)置進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，以在不使激光束散焦的情況下改變光束直徑。機(jī)器設(shè)置 1和機(jī)器設(shè)置2的光束直徑 D4σ 分別為 88 和 62 μm。在計(jì)算中，對測量數(shù)據(jù)擬合了高斯分布。使用配備 LBS-300 分束器（Ophir Spiricon Europe GmbH，德國）的 CCD 相機(jī) SP928 在 150 W 下進(jìn)行光束輪廓測量，該分束器將 0.01% 的輸入激光束傳遞到相機(jī)。此外，激光束在分束器后被兩個(gè)中性密度濾光片衰減，導(dǎo)致總共ND4。

機(jī)器設(shè)置 1
AconityLab（Aconity 3D GmbH，德國）配備了波長為 1070 nm 的 1kW 光纖激光器（Coherent Inc.，美國）和電阻加熱平臺，預(yù)熱溫度高達(dá) 500 °C。


機(jī)器設(shè)置 2
DMP Flex 350（3D Systems Inc.，美國）配備 1 kW 光纖激光器（IPG Laser GmbH，德國），發(fā)射波長為 1070 nm。。
使用純度為>99.95%的Cu和球形顆粒形狀的純銅粉Cu OFHC（ECKART TLS GmbH，德國）。選擇Cu-HCP作為襯底材料。

使用數(shù)碼顯微鏡VHX-5000（德國基恩士德國有限公司）拍攝單熔道圖像。熔道根據(jù)其規(guī)律性分為以下三類。
①連續(xù)：熔道規(guī)則，無間隙。
②偶爾斷裂：熔道幾乎沒有狹窄的間隙。
③不連續(xù)：在熔道中形成具有明顯間隙的單段和液滴。
不同歸一化參數(shù)下的單道熔池：

△未預(yù)熱

△預(yù)熱

該文研究了銅激光粉末床熔合過程中預(yù)熱溫度和光束尺寸對熔道寬度和熔道深度的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，由于較長的相互作用時(shí)間，較大的光束直徑導(dǎo)致在相同峰值強(qiáng)度下產(chǎn)生更寬更深的熔道，這促進(jìn)了鎖孔的形成，并且有足夠的能量在更廣闊的區(qū)域內(nèi)熔化。此外，預(yù)熱溫度的升高也促進(jìn)了鎖孔的形成，減少了熔化所需的剩余能量，從而使熔道寬度和熔道深度上升。通過將熔道軌跡分為不連續(xù)、偶爾斷裂和連續(xù)熔道，發(fā)現(xiàn)在完全展開的鎖孔條件下，連續(xù)熔道的形成可靠，長寬比為 R ≥ 0.8。只有在高預(yù)熱溫度下，即使在傳導(dǎo)熔化狀態(tài)下也能形成連續(xù)的熔道。確定了歸一化熔道寬度和深度的關(guān)系，以光束尺寸為特征長度，基于歸一化焓。熔道深度有很好的一致性。然而，在實(shí)際工藝條件下，打印在立方體頂部的熔道軌跡比關(guān)系預(yù)測的要淺。

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https://doi.org/10.2351/7.0001118