研究人員證實納米紋理改性粉末激光增材制造的高吸收率優(yōu)勢

2024年9月7日，南極熊獲悉，來自斯坦福納米共享設(shè)施（SNSF）和勞倫斯利弗莫爾國家實驗室（LLNL）的美國研究人員證明了通過激光粉末床熔融（LPBF）制備具有納米紋理的改性銅、銀和鎢等粉末的高吸收率優(yōu)勢。

刻蝕前后紋理粉末的表面地形變化。(A)刻蝕銅粉的三維重建圖像過程，顯示刻蝕后的表面地形。(B)購買的（對照）粉末（Cu00）。將粉末顆粒刻蝕1小時（Cu01）、5小時（Cu05）和10小時（Cu10）。(F至I)粉末表面的高倍率圖像，顯示隨著刻蝕時間特征尺寸變化的逐漸粗糙特征。類似的結(jié)果顯示了(J)購買的AgCu粉末和刻蝕的AgCu粉末，以及(L)購買的W粉末和刻蝕的W粉末。(N至Q)來自(J至M)的粉末表面的高倍率圖像。

相關(guān)研究以題為“High absorptivity nanotextured powdersfor additive manufacturing”的論文發(fā)表在《Science Advances》期刊上，項目得到了美國國家科學(xué)基金會和美國能源部的支持。

論文鏈接：https://science.org/doi/10.1126/sciadv.adp0003

金屬增材制造 (AM) 是一種革命性的工藝，但由于金屬反射率高，打印銅、銀和鎢等金屬具有挑戰(zhàn)性。這些金屬在激光粉末床熔合 (LPBF)過程中無法吸收足夠的激光能量，導(dǎo)致能源使用效率低下、零件質(zhì)量差和功率要求高。然而，一種使用納米紋理金屬粉末的新改性工藝可以顯著提高粉末吸收率并提高增材制造效率，從而克服這些挑戰(zhàn)。

△紋理粉末中吸收率增強的實驗和模擬結(jié)果。（A）在 175 W 和 656 mm/s下進行的量熱實驗中代表性的時間與溫度數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)顯示，蝕刻粉末中的峰值基底溫度相對于購買粉末有所增加。插圖顯示原位量熱實驗裝置。（B）在 175 W 的激光功率和 100和 656 mm/s 兩種速度下，購買粉末（藍色）和蝕刻銅粉中的有效吸收率，顯示在兩種掃描速度下蝕刻粉末相對于購買粉末的有效吸收率有所增加。AgCu 和 W 購買粉末和蝕刻粉末顯示出類似的結(jié)果。（C）用于 EM 模擬的樣品顆粒橫截面。（D）歸一化磁場和（E）電場強度顯示表面凹槽中的局部場。（F）用于射線追蹤計算的代表性模擬域。射線的顏色表示每條射線的反射次數(shù)，其中入射射線的值為 0。粉末顆粒表面的紅點表示吸收率增強的區(qū)域，覆蓋表面積分數(shù) ϕ = 0 處的相應(yīng)值進行歸一化。

銅和銀等金屬會反射大部分激光能量，從而減少正確熔化所需的熱局部化。鎢等難熔金屬具有高熔點和熱導(dǎo)率，導(dǎo)致冷卻過程中開裂。打印這些金屬的嘗試通常涉及增加激光功率或添加合金元素。然而，這些方法成本高昂，會降低材料性能，并可能損壞打印設(shè)備。

什么是納米紋理粉末？

納米紋理粉末是經(jīng)過改性的金屬粉末，表面有納米級凹槽。這些凹槽采用化學(xué)蝕刻制成，增加了表面積并增強了激光與粉末之間的相互作用。這可以顯著提高激光能量吸收率，而不會改變材料的化學(xué)成分。

蝕刻工藝包括將金屬粉末浸入溶液中，從而在其表面形成納米級特征。例如，使用氯化鐵(FeCl₃) 溶液蝕刻銅粉，根據(jù)蝕刻時間的不同，會產(chǎn)生具有不同表面粗糙度的粉末。

納米紋理粉末的吸收率增強主要源于兩個因素。一個是等離子體共振：納米級凹槽集中光能，導(dǎo)致局部加熱和更高的吸收率。另一個是多重散射事件：紋理表面會引起激光能量的多次反射，從而增加整體吸收率。

納米紋理粉末在增材制造中的優(yōu)勢

納米紋理粉末能夠以顯著較低的能量密度打印銅和鎢等金屬。例如，僅使用 83 J/mm³ 的能量即可以 92% 的相對密度打印純銅，這比傳統(tǒng)方法低得多。

在較低的激光功率下，納米紋理粉末的吸收率增強，可提高零件質(zhì)量，減少缺陷。該工藝還可最大限度地減少后處理需求，從而更具成本效益。

△使用紋理粉末進行銅和示例結(jié)構(gòu)的低能量密度打印。（A）易于打印的材料，例如 SS316、Ti64和 Al 合金，可使用低能量密度（Q≤80 J/mm3）打印出全相對密度（ρ0.99）。我們展示了使用高吸收率 Cu05 將銅的加工條件推向較低能量密度的能力，相對于以前的研究。陰影區(qū)域顯示數(shù)據(jù)的定性分組。（B）鎢圓柱體打印件的壓痕硬度與能量密度相關(guān)。納米紋理 W 打印件的硬度約為 5 GPa，該值與其他增材制造純 W 的測量值相似，但無需將粉末預(yù)熱至 200 C（見圖例）。（C 和 D）使用 Cu05 粉末在 87 J/mm3 下打印八位晶格和三重周期最小表面。 (E) 以 400 J/mm3 打印的八重奏 AgCu。 (F) 使用 W01 以 725 J/mm3 打印的八重奏 W 結(jié)構(gòu)。比例尺，10 毫米。

該方法已成功應(yīng)用于銅、銀銅合金和鎢，證明了其對各種高反射率和難熔金屬的多功能性。

利用納米紋理銅粉，研究人員以比傳統(tǒng)方法低得多的能量水平實現(xiàn)了高密度部件。在 100 W和 300 mm/s 下，相對密度達到 92.6%，而無紋理粉末的相對密度為 85.6%。對于鎢，納米紋理粉末能夠在較低的激光功率下成功打印，從而產(chǎn)生高密度部件并改善機械性能。這標志著打印難熔金屬的突破。