導(dǎo)言

鋁合金因其密度低、導(dǎo)熱性高、加工性能好、機(jī)械性能優(yōu)異而廣泛應(yīng)用于航空航天和汽車領(lǐng)域。然而，鋁合金的低熔點(diǎn)和較差的耐磨性限制了其在高耐磨性和高溫條件下的進(jìn)一步應(yīng)用，如氣缸、內(nèi)燃機(jī)凸輪、活塞、閥座等產(chǎn)品不能由單一鋁合金制成。目前，許多人正在嘗試使用激光熔化工藝來實(shí)現(xiàn)鋁合金的表面改性，如鎳基、銅基和鐵基合金，以獲得更好的耐磨性和高溫性能。

鎳基和鐵基材料可以顯著提高產(chǎn)品的表面硬度和耐磨性，但鎳基和鐵基合金的導(dǎo)熱性很差，不適合內(nèi)燃機(jī)、活塞等高散熱要求，因?yàn)榉e累的熱量會(huì)導(dǎo)致鋁合金基材的變形或熔化。

銅合金具有高導(dǎo)熱性和自潤滑性，有利于提高鋁合金表面的耐高溫性和耐磨性，同時(shí)保證導(dǎo)熱性。因此，銅合金是鋁合金表面熔化的首選。

然而，傳統(tǒng)的10種鋁合金和銅合金 nm紅外激光波長的吸收率很低，只有～7%和～5%。

低功率熔化時(shí)，能量輸入不足，粉末不能完全熔化。

當(dāng)使用高功率熔化時(shí)，勺孔效應(yīng)是不可避免的。勺孔效應(yīng)導(dǎo)致材料對激光的吸收效率劇烈波動(dòng)，勺孔內(nèi)激光的多級(jí)反射也使飛濺現(xiàn)象更加嚴(yán)重，較終導(dǎo)致孔隙、裂紋和未熔化缺陷。

鋁合金和銅合金對450納米藍(lán)色激光的吸收率可分別達(dá)到～14.5%和～65%。因此，藍(lán)光激光器的發(fā)展有望克服高反射率合金熔覆的困難。

1-1

日本在這方面的發(fā)展

近年來，大阪大學(xué)在藍(lán)色激光處理領(lǐng)域進(jìn)行了一系列開拓性研究。

2018年，Tsukamoto通過調(diào)整光學(xué)組件，教授團(tuán)隊(duì)聚焦了6個(gè)單功率為20瓦的藍(lán)色激光器發(fā)出的光束，成功地將銅合金熔化在不銹鋼表面。然而，由于激光功率仍處于較低水平，在熔化層中觀察到一些孔隙。高功率藍(lán)光激光器已成為阻礙銅合金熔化的主要問題。

2019年，Tsukamoto教授團(tuán)隊(duì)為純銅開發(fā)了100瓦藍(lán)色激光器SLM(選區(qū)激光熔化)添加劑制造。生產(chǎn)密度約97.8%的純銅管。為了提高添加劑制造產(chǎn)品的質(zhì)量，需要進(jìn)一步提高藍(lán)色激光器的功率。

2020年，Tsukamoto教授團(tuán)隊(duì)將兩個(gè)100瓦藍(lán)色激光器的光束聚集在一起，成功獲得了無明顯孔隙和裂紋的純銅熔化層。然而，涂層寬度僅為620微米，涂層效率較低。

德國在這方面的進(jìn)步

2019年，德國激光制造商Laserline的Simon實(shí)驗(yàn)證明，1000瓦的藍(lán)色激光直徑為2mm純銅合金在銅基板上仍不能熔化。

1-2

美國在這方面的發(fā)展

2020年，美國激光制造商N(yùn)UBURU Incorporated的Zediker使用1000瓦的藍(lán)色激光器將斑點(diǎn)直徑降低到215微米，實(shí)現(xiàn)純銅和1100鋁合金的熔化，發(fā)現(xiàn)銅和鋁的熔化深度相似。然而，小斑點(diǎn)（215微米）極大地限制了激光熔化的效率。

簡而言之，短波長藍(lán)色激光器在加工銅、鋁等高反射材料方面具有巨大的優(yōu)勢。然而，低功率和小光點(diǎn)限制了其在激光熔化領(lǐng)域的進(jìn)一步應(yīng)用。

1-3

中國在這方面的發(fā)展

紅藍(lán)混合激光可以克服藍(lán)激光器的低功率密度和大功率紅外激光的不穩(wěn)定性，有望實(shí)現(xiàn)高反射材料的高效熔化或SLM添加劑制造。事實(shí)上，德國激光器制造商Laserline的Simon在紅藍(lán)混合激光熔覆純銅方面做了一些研究，但缺乏相關(guān)的微結(jié)構(gòu)和缺陷分析。

在此基礎(chǔ)上，中國上海交通大學(xué)系統(tǒng)研究了藍(lán)光、紅光、紅藍(lán)混合激光在鋁基材上熔化純銅時(shí)的熔池穩(wěn)定性、熔池尺寸和熔化層的微觀結(jié)構(gòu)。討論了不同激光的成型機(jī)制。為紅藍(lán)混合激光在高反射材料（如銅、金、鋁等）的制造和應(yīng)用奠定了理論基礎(chǔ)。

1-4

本實(shí)驗(yàn)參與單位

國家上海交通大學(xué)金屬基復(fù)合材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

上海交通大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院

淮北上海交通大學(xué)(安徽)校友材料研究所

1-5

本文亮點(diǎn)

(1)同軸紅-藍(lán)混合激光器AlSi7Mg在合金基板上熔覆純銅，比較熔池穩(wěn)定性、熔池尺寸和三種光源(紅外、藍(lán)色及其混合源)的微觀結(jié)構(gòu)。

（2）高反金屬對紅外激光的吸收率較低，因此在加工過程中需要較高的功率，但高功率激光會(huì)導(dǎo)致熔池穩(wěn)定性差。藍(lán)光激光波長短，高反金屬吸收率高，但藍(lán)色激光功率低，導(dǎo)致零件密度差。上述兩個(gè)問題可以通過高功率紅外激光和低功率藍(lán)色激光的結(jié)合有效地解決。

(3)混合激光熔化過程中的熱積累較為明顯，冷卻速度較慢(1).36×10^4 K/s），因此，微結(jié)構(gòu)更厚。因此，在鋁基材上覆蓋純銅時(shí)，混合激光形成的熔池更穩(wěn)定，熔池尺寸更大，這與高反射率合金總激光吸收率的顯著提高和吸收率波動(dòng)的降低密切相關(guān)。

02

材料和方法

(1)熔覆實(shí)驗(yàn)UW-B4310M高功率紅外-藍(lán)光混合激光器由連續(xù)3000W（10 nm）紅外激光器，10000W（450nm）由一套控制軟件組成的藍(lán)光激光器。

(2)紅外激光發(fā)射高斯光束，光斑大小為2.4mm。藍(lán)色激光發(fā)射平頂光束，光斑大小為1.75mm。

(3)通過光束整形技術(shù)獲得平頂光束。

(4)兩個(gè)激光束的軸在空間上重疊。

(5)實(shí)驗(yàn)中，氣體霧化純銅粉的尺寸分布范圍為50至150μm，平均尺寸為120.5μm。純銅粉的氧含量控制在0.013wt%以下。

(6)使用的基材是AlSi7Mg合金，名義化學(xué)成分（wt.%）為6.85Si，0.02Fe，0.03Cu，0.28Mg，0.03Mn，0.01Zn，0.03Ti，Al（Balance）

(7)預(yù)設(shè)粉末層厚度1mm。

(8)在不同的激光源下進(jìn)行單道實(shí)驗(yàn)。所有樣品的掃描速度見下表。（v）60毫米/秒。

(9)所有實(shí)驗(yàn)都是在氬氣的保護(hù)下進(jìn)行的。氬氣流量為15升/分鐘。(10)熔化過程中使用了一個(gè)Revealer? X113 CMOS采樣頻率為6800 fps(幀/秒)。

03

結(jié)果和討論

3-1

熔池的形態(tài)

(1)紅外激光功率為200瓦:純銅和AlSi7Mg合金導(dǎo)熱性高，激光反射率高，能量吸收不足，熔覆道熔深很淺。在隨后的運(yùn)輸過程中，熔覆甚至從基板上掉下來。

(2)隨著紅外激光功率的增加，單道變得連續(xù)均勻。銅/鋁熔覆單道在1000瓦的紅外激光功率下獲得良好，無缺陷。

(3)當(dāng)紅外激光功率進(jìn)一步增加到1800瓦以上時(shí)，單道會(huì)出現(xiàn)直徑200微米的明顯孔洞。

(4)總結(jié):紅外激光器的能量密度過高或過低AlSi7Mg襯底上覆蓋著純銅合金。盡管在1000瓦時(shí)內(nèi)可獲得無缺陷熔覆單道，但低激光功率限制了沉積效率。

(1)銅和鋁對4500nm激光的吸收率較高，因此藍(lán)色激光將提高熔化質(zhì)量和效率，這是理論邏輯的推斷。然而，藍(lán)光激光功率較小（在5%范圍內(nèi)波動(dòng)較大）。如此大的吸收率波動(dòng)和能量波動(dòng)使熔池中的熔化和凝固過程極不穩(wěn)定，容易形成氣孔缺陷。

(3)在金屬蒸汽的作用下，熔道邊緣的粉末顆粒逐漸聚集熔化，形成飛濺。當(dāng)靠近熔池時(shí)，這些顆粒被吸入熔池頂部，與基體分離，形成液滴飛濺。這兩種飛濺相互碰撞融合，形成大飛濺。

(4)總之，紅外激光器下高反射率材料之間的熔化過程非常不穩(wěn)定，容易形成氣孔和飛濺。

(1)藍(lán)激光作用下無鑰匙孔，總吸收率仍為65%，吸收率波動(dòng)不大。

(2)與紅外激光器相比，藍(lán)色激光器下的等離子體溫度較低，電離度較低，大大降低了入射激光器的吸收和散射。

（3）簡而言之，提高激光吸收率和降低范圍（減少散射）非常有利于提高反射材料熔化單道的穩(wěn)定性，減少藍(lán)色激光熔化過程中的孔和飛濺。

不幸的是，藍(lán)色激光器的功率密度不足以完全熔化粉末，導(dǎo)致嚴(yán)重的球形現(xiàn)象。

（1）使用混合激光器時(shí)，銅對藍(lán)色激光器的高吸收率導(dǎo)致合金迅速熔化，形成凹陷區(qū)，紅外激光器的吸收率顯著提高。添加高能密度紅外激光器可以快速將凹陷區(qū)轉(zhuǎn)化為深熔焊區(qū)。紅外激光器在這個(gè)深鑰匙孔中的反射增加了激光的總吸收率。因此，混合光源的總能量吸收率遠(yuǎn)高于65%(藍(lán)光的理論吸收率)。

(2)由于吸收率變化較小，混合激光誘導(dǎo)的等離子體和金屬蒸汽比純紅外激光器更均勻。如此小的吸收率波動(dòng)更有利于熔池的穩(wěn)定性，減少熔化過程中的孔洞和飛濺。

(3)此外，混合激光器總能量利用率的增加使熔化過程中的熱積累更加明顯，凝固速度更慢，熔池尺寸更大。冷卻速度慢也使熔池內(nèi)的氣體更容易溢出，從而獲得無缺陷樣品。

(4)總之，混合激光器在鋁基板上熔覆純銅具有穩(wěn)定性高、缺陷少、熔池尺寸大等優(yōu)點(diǎn)。

5

AMLetters評(píng)論

(1)這項(xiàng)工作證實(shí)了紅外-藍(lán)色混合激光器在熔化高反射率材料(如銅、金、鋁等)方面的潛力。).混合激光器可以擴(kuò)展到其他應(yīng)用程序，如SLM。

(2)據(jù)說快盤式綠光激光器價(jià)格昂貴，深圳聯(lián)贏激光混合激光器價(jià)格未知，但確實(shí)讓AMLetters看到了SLM國用國產(chǎn)激光器突破高反材料成型問題的希望。

德國弗勞恩霍夫?qū)嶒?yàn)室(3)引領(lǐng)全球增材制造技術(shù)（Fraunhofer）官網(wǎng)有這樣一張圖，描述了增材制造技術(shù)未來的發(fā)展脈絡(luò)和我們目前的階段。毫無疑問，增材制造技術(shù)已經(jīng)到了簡單工業(yè)應(yīng)用的歷史交匯點(diǎn)，廣泛接受和大規(guī)模工業(yè)應(yīng)用，SLM當(dāng)技術(shù)本身帶來的商業(yè)價(jià)值進(jìn)一步爆發(fā)時(shí)，我們也應(yīng)該意識(shí)到這些技術(shù)很快就會(huì)達(dá)到瓶頸。光束整形(激光束整形:SLM未來)、面部曝光(區(qū)域打印 或?qū)㈩嵏睸LM）、綠光、藍(lán)光、混合光、飛行打印(飛行打印)等新技術(shù)都可能是下一次技術(shù)跳躍的機(jī)會(huì)。和世界一樣，這個(gè)行業(yè)發(fā)展得太快了。不學(xué)習(xí)進(jìn)步的企業(yè)和步伐緩慢的企業(yè)較終會(huì)被歷史洪流淘汰，成為洶涌澎湃的浪花。