增材制造 (AM) 技術(shù)在過去十年中取得了顯著進(jìn)步，可以快速制造具有復(fù)雜幾何形狀和多樣化原料的組件。 因此，通過擴(kuò)展加工路線，以前具有挑戰(zhàn)性的材料（例如純銅）的增材制造變得更加容易。 然而，之前只有基于粉末床的增材制造工藝（通常配備近紅外激光器或電子束）才被證明可以生產(chǎn)具有明確幾何形狀的大塊純銅部件。 加州大學(xué)圣地亞哥分校的研究人員Journal of Manufacturing Processes上發(fā)表的論文《Directed energy deposition of pure copper using blue laser》展示了具有明確幾何形狀的塊狀 Cu 部件，該部件通過使用藍(lán)色激光的“送粉”-定向能量沉積 (DED) 工藝構(gòu)建。 生產(chǎn)了體積為 1000 立方毫米的接近全密度（高達(dá) 99.6%）的部件，這是迄今為止在激光增材制造中報(bào)道的最致密的純銅部件，但與使用近紅外激光構(gòu)建的類似體積部件相比，其能量密度要低得多 。
▲相關(guān)研究發(fā)表在Journal of Manufacturing Processes,Volume 85, 6 January 2023, Pages 314-322
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1526612522008477?via%3Dihub
研究背景
近年來，金屬增材制造 (AM) 取得了重大進(jìn)展 。AM增材制造 的設(shè)計(jì)和制造自由度允許使用多種廣泛使用的金屬材料小批量生產(chǎn)組件，從而顯著降低成本和縮短交貨時(shí)間。
由于 Cu 出色的熱性能和電性能，通過增材制造制造純銅 (Cu) 零件對(duì)于熱交換器和電氣元件等各種應(yīng)用具有可觀的前景。
選區(qū)激光熔融 (SLM) 和選區(qū)電子束熔融 (SEBM) 已成功制造具有良好相對(duì)密度的大塊純銅部件，這是金屬中兩種最常見的基于粉末床的工藝。盡管基于電子束的方法可以更容易地實(shí)現(xiàn)純銅的致密化，尤其是對(duì)于大體積構(gòu)建，但使用電子束的局限性，例如需要超高真空，使得目前基于粉末床的工藝的局限性會(huì)限制增材制造 Cu 零件的應(yīng)用范圍。
另一種常用的增材制造技術(shù)，定向能量沉積 (DED)工藝將粉末直接送入激光束形成的熔池，尚未廣泛用于生產(chǎn)純 Cu 結(jié)構(gòu)。除了能夠執(zhí)行與粉末床解決方案類似的制造工藝外，DED 工藝還能夠再制造和維修零件以及實(shí)現(xiàn)更大的構(gòu)建體積。因此，利用純銅的 DED 增材制造引起了汽車和航空航天等多個(gè)行業(yè)的興趣。
此外，在之前將 SLM 應(yīng)用于銅加工的工作中，幾乎所有的 Cu 部件都是使用波長在近紅外 (IR) 區(qū)域的激光制造的。在這個(gè)電磁波譜區(qū)域，很大一部分激光能量會(huì)被 Cu 反射。因此，必須使用具有非常高功率（從 0.5 千瓦到 1 千瓦）并且以幾十微米的光束直徑運(yùn)行的激光器來提供足夠的能量密度以實(shí)現(xiàn)熔化。材料固有反射率的大量能量損失 (~95%) 會(huì)產(chǎn)生大量的能量浪費(fèi)。此外，據(jù)報(bào)道，必要的高功率激光器產(chǎn)生的高背反射會(huì)損壞光學(xué)鏡上的介電涂層，從而縮短設(shè)備的使用壽命并進(jìn)一步增加成本。因此，利用更短波長的新型激光器的策略，可以更有效地被 Cu 吸收，并結(jié)合允許更多制造自由度的 DED 定向能量沉積增材制造工藝，預(yù)計(jì)將引起業(yè)界的極大興趣。
研究背景
3D科學(xué)谷了解到加州大學(xué)圣地亞哥分校論文使用的純度為 99 + % 的氣霧化銅粉由 Oerlikon-歐瑞康提供。樣品是在定制的 Formalloy L221 送粉 DED 系統(tǒng)中制造的，該系統(tǒng)配備了 650 W Nuburu AO-650 藍(lán)色激光器，波長為 450 nm，光斑尺寸為 1 mm，在充滿氬氣的惰性氣體中氧氣含量保持在 5 ppm 以下的腔室。激光器和相關(guān)的光學(xué)器件安裝在一個(gè)帶有 z 軸運(yùn)動(dòng)的面板上。基板固定在水冷 X-Y 定位臺(tái)上。在這項(xiàng)工作中，使用了厚度為 12.7 mm 的 152 mm × 152 mm 的304不銹鋼基板。
所有樣品均使用 1000 毫米/分鐘的激光掃描速度（每層掃描旋轉(zhuǎn) 90°）和大約 3.0 克/分鐘的粉末進(jìn)料速率制造。構(gòu)建了尺寸為 10 × 10 × 10 mm和 20 × 20 × 20 mm的樣品，隨后通過水射流切割從基板上移除。
加州大學(xué)圣地亞哥分校目前的工作表明，藍(lán)色激光的送粉DED定向能量沉積工藝加工純銅，通過增加激光功率可有效提高密度，但會(huì)在構(gòu)建中產(chǎn)生更高程度的紋理和晶粒柱狀度。
另一方面，增加掃描重疊具有減少紋理和晶粒柱狀度的好處，同時(shí)提高零件密度。
在相同的加工參數(shù)下，將構(gòu)建體積從標(biāo)準(zhǔn)的 1000 立方毫米增加到 8000 立方毫米會(huì)導(dǎo)致密度降低，但質(zhì)地和顆粒均勻性有所改善。
下一步的發(fā)展包括為了使更大、完全致密的銅部件或其他低藍(lán)光反射率金屬的激光增材制造成為可能，或減少紋理化和不均勻的晶粒形態(tài)，預(yù)計(jì)業(yè)界將努力生產(chǎn)更高功率的藍(lán)色激光器。
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