铜合金3D打印难点和激光吸收率影响因素

纯铜及铜合金选区

激光熔化成型的难点：

金属材料对激光的吸收率直接影响激光增材制造成形件质量。尽管选区激光熔化成形铜及铜合金零件目前已经有了大量的研究，但依然是难以解决铜对1064nm波长激光的高反射率问题。有学者对纯铜板材及球形纯铜粉末进行了激光吸收率实验，检测结果表面纯铜板对1064nm波长激光的吸收率只有4%，球形度较高的铜粉激光吸收率为44%，近球形铜粉的激光吸收率为32%，激光吸收率较低直接导致激光增材制造过程中激光能量散失，熔池温度过低，成形件会出现粉末未熔化，孔洞，致密度低等缺陷，进一步影响成形件的力学、导热和导电性能。

激光功率600W，扫描速度1000mm/s，得到致密度为97.8%的纯铜试样

铜粉激光吸收率的影响因素：

如何提高铜对1064nm波长的激光吸收率，对于当下的选区激光熔化成形的铜零件质量至关重要。以下将从多个方面对激光吸收率进行研究。

01 粒度的影响

三种不同粒度分布的纯铜粉末对不同激光的反射率如下图所示，可见铜粉对激光的反射率会随着波长的增加而增加，尤其在于高于550nm波长的波段，铜粉对激光的反射率迅速增加，这也是尽管1046nm红外激光有着良好的致热性但是SLM成形铜零件较为困难的主要原因。40-160um纯铜粉对1064nm波长激光的吸收率为21.8%，15-53um范围的激光吸收率为22%，5-35um范围的激光吸收率为39.4%。

三种粒度分布的纯铜粉末对不同波长激光的反射率及在1064nm波长出的激光反射率

金属粉末的激光吸收率收到多种因素的影响，除了粉末材料本身的性质之外，还收到粉体颜色、温度、颗粒表面质量、激光入射角度等因素的影响。粒度的变化引起铜粉色泽及激光在粉末颗粒间反射次数的变化，粉体颗粒越小，粉末色泽越暗，在一定范围内粉末粒度越小粉体对1064nm波长激光的吸收率越高。金属粉末的粒径越小，激光在粉体之间的反射次数会增加，间接提高粉体对激光的吸收率。

02 合金化影响

测试Cu-0.8 wt% Cr粉末的激光反射率并与纯铜粉末的激光吸收率对比，Cu-0.8wt%Cr粉末在1064nm波长处的激光反射率为69.5%，相对于同等粒度分布纯铜粉末的激光反射率有所下降，但是仍高于5-35um纯铜粉的激光反射率，如下图所示。已有实验表明，与铜相比Cr具有更高的光吸收值，并且Cr元素固溶在Cu晶格畸变也会对激光吸收率产生影响，因此在相同的15-53um粒度范围内，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纯铜粉末的激光吸收率，在1064nm处，Cu-0.8wt%Cr粉末的激光吸收率为30.5%，而15-53um纯铜粉末该数值为22%。

Cu-0.8wt%Cr在不同波长的激光反射率和在1064nm处的激光吸收率

03 表面改性的影响

纳米TiC是一种粒径小，比表面积大，表面活性高的黑色粘性粉末，通常作为增强相加入金属基体中提高材料性能，纳米级的粉末在激光熔池中能够快速均匀化，纳米TiC在不同波长处的激光吸收率如下图所示，由图可见纳米TiC的激光反射率并没有随着波长增长呈现大幅度波动，在1064nm波长处其激光吸收率依旧高达96.7%。以下将通过纳米TiC表面改性来提高铜及铜合金粉末的激光吸收率。

纳米TiC对不同波长激光的反射率及在1064nm波长处的激光反射率

采用球磨的方式将纳米TiC包覆在铜粉表面，分别在三种粒度分布的纯铜粉中加入0.05%、0.1%、0.2%、0.3%、0.4%质量分数的纳米TiC并使用UV-3600Plus紫外分光光度计测试每种粉末的激光反射率。由下图可知纳米TiC的加入明显降低了纯铜粉的激光反射率，并且随着纳米TiC含量的增加激光反射率越来越小，呈有规律的梯度下降。纳米级尺寸的TiC通过球磨的方式均匀的包覆在铜粉表面，遮盖了铜粉原来的金属光泽，再加上纳米TiC本身对激光的高吸收率，显著降低了铜粉的激光反射率。

三种纯铜粉末加入不同质量分数纳米TiC后对不同波长激光的反射率。（a:5-35um, b:15-53um, c:40-160um）

04 合金化＋表面改性的影响

添加不同质量分数纳米TiC的Cu-0.8wt%Cr粉末在不同波长的激光反射率如下图所示，波长相同时，铜粉激光反射率随着加入纳米TiC质量分数的上升而下降，当加入的纳米TiC质量分数为0.4wt%时，粉末激光吸收率为67.3%。测试结果表面合金化+表面改性的方法依旧能够有效降低粉末的激光吸收率，这也为提高合金粉末的激光吸收率提供了一种思路。

图添加不同质量分数纳米TiC的Cu-0.8wt%Cr粉末对不同波长激光的反射率

05 氧化处理

将三种纯铜粉末以及Cu-0.8wt%Cr合金粉末放入刚玉坩埚中分别加热至50℃、150℃、250℃、350℃并保温5min,室温下（RT）与氧化处理后测试等得到的激光反射率如下图所示。三种纯铜粉末在50℃与150℃并保温5min条件下，其激光吸收率与未氧化处理粉末的激光吸收率相比变化较小，当温度升高至250℃并保温5min后，粉末的激光反射率有了明显的下降，并在350℃保温5min的条件下达到了最大值，在350℃保温5min的条件下5-35um、15-53um、40-160um三种纯铜粉末的激光吸收率分别为61.7%，68.3%，64.8%。Cu-0.8wt%Cr粉末在50℃与150℃氧化处理后激光吸收率从30.5%分别提升到了41.2%，42.3%，在250℃和350℃氧化处理后激光吸收率分别提升到了76.9%，77.4%，与相同粒度分布的纯铜粉末相比氧化处理后激光吸收率提升较大。

不同粉末分别在50℃、150℃、250℃、350℃保温5min条件下不同波长处的激光射率（a:5-35um, b:15-53um, c:40-160um，d: Cu-0.8wt%Cr）

结论

提高金属粉末激光吸收率的途径有很多，但是在提高粉末激光吸收率的基础上，是否能保证成形件质量需要实验来验证，比如粉末粒径越小，激光吸收率越高，但并不是说金属粉末粒径越小越好，因为选区激光熔化设备的铺粉厚度是一定的，粉体粒径小于设备的最小铺粉厚度就无法正常铺粉，所以合适的粒径不能只看激光吸收率；对于合金化与表面改性方法，现有的铜合金已有成熟的体系，微量元素的加入对成形件质量的影响需要实验验证；表面氧化的方法有效降低了铜粉末对激光的反射率，但是对于金属增材制造的粉末来说，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，尽管氧含量的增加使得粉末的激光反射率降低，但是要将粉末氧含量控制在合理范围内。

审核编辑 黄宇