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江苏激光联盟导读：
本文探讨了用于低混合电流驱动发射装置的激光粉末床融合增材制造的GRCop-84结构的分辨率和几何限制 。 本文为第一部分 。
摘要
激光粉末床融合(L-PBF) ， 也被称为选择性激光熔化TM (SLMTM) ， 允许增材制造低混合电流驱动(LHCD)射频(RF)发射装置的新材料 ， GRCop-84 ， Cr2Nb (8 at. % Cr 4 at. % Nb)沉淀硬化合金 ， 其结构是常规加工无法达到的 。 通过对分辨率和几何限制的测试 ， 探索了L-PBF打印GRCop-84的局限性 。 在垂直和水平方向上检查印刷孔 ， 以确定最小的冷却通道直径 。 内应力将垂直墙和隔垫的最小厚度限制在1毫米 ， 较薄的墙在印刷过程中会翘曲 。 垂直表面的粗糙度最小 ， 随着角度的增加 ， 上下表面的粗糙度都增加 。 对于支撑良好的结构 ， 精度一般在40 μm以内 。
1. 介绍
1．1. GRCop-84增材制造的动机
GRCop-84是一种铌铬(Cr2Nb) 8 at. %Cr 4 at. % Nb沉淀硬化(PH)合金 ， 采用激光粉末床熔合(L-PBF) ， 也被称为选择性激光熔化(SLMTM) ， 具有优良的增材制造(AM)性能 。 高导热性和与Nd:YAG的耦合性差以及1030-1080 nm波长范围的光纤激光器 ， 给传统铜合金的AM带来了挑战 ， 如无氧铜(C10100)、铜-铬-锆(CuCrZr) (C18150)、GlidCop (C15715) 。 由此产生的亚单位密度需要热等静压(HIPing)来消除空洞 。 结果表明 ， 14vol % Cr2Nb在低温条件下提高了对近红外激光的吸收 ， 从而提高了材料的密度和表面粗糙度 。 GRCop-84打印密度超过>99.9% ， 表面粗糙度Ra=3-4 μm ;L-PBF纯铜的Ra=18 ~ 30 μm ， 密度为95%;CuCrZr纯铜的Ra=10 ~ 16 μm ， 密度为99.8% 。 最小的内部空隙在印刷GRCop-84消除印刷后的HIPing ， 从而简化生产 。
一个HIP罐的例子 。
例如 ， 将罐体装入热炉 。 罐体装载粉末 ， 振动以最大限度地填充粉末 ， 在装载到HIP炉之前抽真空 ， 然后密封 。 上图是一个典型的装载的HIP罐 。
GRCop-84被选择用于DIII-D高场边(HFS)低混合电流驱动(LHCD)发射装置由于几个优势性能 。 L-PBFAM可以实现传统加工无法实现的集成射频结构 。 L-PBF GRCop-84在25℃时的屈服强度为471 MPa ， 抗拉强度为714 MPa ， 高温暴露后强度退化最小 。 此外 ， GRCop-84具有良好的导热性能 ， 导热系数为260 W/m?K ， 电阻率低 ， 为2.5μΩ?cm(纯Cu含量为140%) 。 这些特性可以在高温、高热流环境中使用 ， 例如聚变反应堆第一壁上的LHCD发射器 。
GRCop-84需要快速凝固技术来防止Cr2Nb沉淀在铜基体中生长 。 使用L-PBF进行气雾化粉末的固结 ， 通过Orowan强化可以细化析出相的尺寸 ， 从而获得优异的强度 。 Nd:YAG在1030 ~ 1080 nm波长范围内具有良好的吸收性能 ， 在不需要热等静压的情况下可以制备出致密无孔洞的块状材料 。 GRCop-84的L-PBF AM由美国宇航局马歇尔太空飞行中心、Quadrus公司（2020年5月前正式称为联邦宇航有限责任公司）和特殊航空航天服务开发 ， 是我们即将推出的HFS LHCD发射器、船内波导管运行和射频（RF）组件的关键使能技术 ， 如图1所示 。
图1 L-PBF打印的WR-187测试波导(a)、LHCD发射移相器(b)和极向功率分配器(c)在构建板上 。 照片由Quadrus公司提供 。
在本文中 ， 我们探索了L-PBF AM的局限性 ， 以及在GRCop-84中打印精细几何时可实现的最大分辨率 。 利用AM测试物品 ， 包括细针、垂直和无支撑水平孔、鳍片和悬挑 ， 探索了分辨率限制 。 在不同的直径范围内 ， 测试被无支撑顶棚塌陷堵塞的水平井眼面积和成功生产的垂直井眼面积 。 确定了销钉和翅片的最小可生产特征尺寸 。 研究了印刷角度对表面粗糙度的影响 ， 以及机器运动引起的波纹轮廓 。 内应力的影响 ， 包括弯曲 ， 翘曲 ， 和零件的开裂 ， 被检查 。 确定了不翘曲可生产薄壁的最小厚度 。 对矩形波导段进行了系统的研究 ， 以确定尺寸精度和批对批变异性 。
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