激光吸收率使銅在激光3D打印上是一個“例外”

作者：Huaray 更新時間：2024-03-26 點擊數：

激光是現代工業(yè)制造中的主要工具，進入20世紀以來被稱為“最快的刀”、“最準的尺”、“最亮的光”。激光現在無處不在，食品日化包裝有激光打的日期二維碼；汽車上有激光切割焊接的鈑金件；3C手機等電子產品上有LOGO激光打標、電路板打孔、外殼焊接等工藝，激光加工可以覆蓋常見的絕大多數材料，我們正在用激光工具改變生活。

激光加工的材料也有“例外”，這里講的就是銅。銅是一種對光高反射的材料，光路是可以靠反射改變路線的，反射光束也會間接損壞激光器等設備，同時高反意味著低激光吸收率。

金屬3D打印是目前增材制造的熱點，利用激光束將金屬粉末顆粒，用高能量的激光熔融金屬粉末沉積，同時燒結固化粉末金屬材料并自動地層層堆疊，以生成致密的幾何形狀的實體零件。而金屬本身是致密體重熔，不易產生粉末冶金那樣的成形時的空穴，結構件致密度可達99％以上，接近鍛造的材料胚體。因此，材料對激光的吸收率直接影響激光增材制造成形件質量，而常規(guī)銅板對1064nm光吸收率僅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致激光增材制造過程中激光能量散失，熔池溫度過低，成形件會出現粉末未熔化，孔洞，致密度低等缺陷，進一步影響成形件的力學、導熱和導電性能。

常規(guī)3D打印使用的銅粉激光吸收率的影響因素：

1. 粒度的影響

三種不同粒度分布的純銅粉末對不同激光的反射率如下圖所示，可見銅粉對激光的反射率會隨著波長的增加而增加，尤其在于高于550nm波長的波段，銅粉對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1064nm波長激光的吸收率為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%。

2. 合金化影響

測試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比，Cu-0.8wt%Cr粉末在1064nm波長處的激光反射率為69.5%，相對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。已有實驗表明，與銅相比Cr具有更高的光吸收值，并且Cr元素固溶在Cu晶格畸變也會對激光吸收率產生影響，因此在相同的15-53um粒度范圍內，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純銅粉末該數值為22%。

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，通常作為增強相加入金屬基體中提高材料性能，納米級的粉末在激光熔池中能夠快速均勻化，納米TiC在不同波長處的激光吸收率如下圖所示，由圖可見納米TiC的激光反射率并沒有隨著波長增長呈現大幅度波動，在1064nm波長處其激光吸收率依舊高達96.7%。以下將通過納米TiC表面改性來提高銅及銅合金粉末的激光吸收率。

納米TiC對不同波長激光的反射率及在1064nm波長處的激光反射率

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%質量分數的納米TiC并使用UV-3600Plus紫外分光光度計測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越小，呈有規(guī)律的梯度下降。納米級尺寸的TiC通過球磨的方式均勻的包覆在銅粉表面，遮蓋了銅粉原來的金屬光澤，再加上納米TiC本身對激光的高吸收率，顯著降低了銅粉的激光反射率。

4.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。