蓝色激光定向能量沉积—实现最高相对密度99.6%的纯铜AM

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据悉，加州大学圣地亚哥分校研究人员将相关研究以“Directed energy deposition of pure copper using blue laser”为题论文发表在Journal of Manufacturing Processes上。
?第一个由蓝色激光+ DEDAM具有明确的几何形状块状纯铜部件。 ?接近全密度部件实现了创纪录的低能量密度。 ?在纯铜的激光基AM中获得了最高的相对密度(99.6% ，阿基米德) 。
?迄今为止报道的最大构建量(8000mm3)的激光基AM纯铜。
关键词：增材制造;定向能量沉积;纯铜;蓝色激光;相对密度;构建体积摘要：增材制造(AM)技术在过去十年中取得了巨大进步，可以快速制造具有复杂几何形状和不同原料的部件。因此，通过扩展加工路线，以前具有挑战性的材料(如纯铜)的AM变得更加容易。然而，以前只有基于粉末床的AM工艺(通常配备近红外激光器或电子束)被证明可以生产具有明确几何形状的大块纯铜部件，其中存在一定的缺点和局限性。这项研究展示了第一个通过送粉，定向能量沉积(DED)工艺用蓝色激光建立的具有明确几何形状的大块铜部件。生产了体积为1000 mm3的接近全密度(高达99.6%)的部件，这是迄今为止在激光AM中报道的密度最大的纯铜部件，但与使用近红外激光器制造的类似体积部件相比，其能量密度显著降低。更大的部件体积为8000mm3 ，这是迄今为止在激光AM中报道的最大体积的纯铜，也使用相同的构建参数制造，相对密度高达94.1% 。 1.简介近年来，金属增材制造(AM)取得了显著的发展。 AM的设计和制造自由使组件可以由一些广泛使用的金属材料生产，少量生产，大大降低了成本和交货时间。由于铜具有优异的热学和电学性能，通过AM制造纯铜(Cu)部件对于各种应用都特别有意义，例如热交换器和电气组件。选择性激光熔炼(SLM)和选择性电子束熔炼(SEBM)是金属AM中最常见的两种基于粉末床的工艺，已成功制备了相对密度良好的大块纯铜部件。在这两种工艺中，薄层粉末铺在前一层粉末上，被光束选择性地熔化。光束通常是近红外(IR)激光在SLM和电子束在SEBM 。无论激光类型如何，都没有报道过体积超过1000 mm3的致密部件。相反，由于Cu的高光学反射率不影响电子束，在SEBM中已经实现了几个体积较大的接近全密度Cu部件。制备出相对密度达到99.95%的2250 mm3 Cu长方体;制备了相对密度达到99.95%的4000 mm3的Cu长方体。尽管电子束为基础的方法可以更容易地致密化纯铜，特别是对于大体积的铜，但使用电子束的局限性，例如需要超高真空，与使用激光束相比，它不太容易获得。另一方面，粉末床工艺可获得的部件尺寸和制造限制了增材制造铜部件的应用范围。另一种常用的添加剂技术，送粉定向能量沉积(DED) ，将粉末直接送入由激光束产生的熔池中，尚未广泛用于生产纯铜制品。除了能够执行与粉末床解决方案类似的制造工艺外， DED工艺还能够再制造和修复部件，并实现更大的制造量。因此，使用DED增材制造纯铜对于汽车和航空航天等多个行业都有重大意义。这项工作报告了第一次成功地使用单一蓝色激光在DED中制造具有明确几何形状和高密度的大块纯铜部件。 10 × 10 × 10毫米立方体的相对密度达到99.6%(阿基米德) ， 20 × 20 × 20毫米立方体的相对密度同样很高，达到94.1% 。

图1所示：扫描电镜显示了所制备的纯铜粉体的形貌，其平均粒径为65±15 μm 。

图2所示：增材制造设备， Formalloy L221 DED系统。右边的蓝色激光光学被用于构建本研究中的样品。 2.结果本研究构建并分析了10 × 10 × 10 mm(样品1、2和3)和20 × 20 × 20 mm(样品4)两种不同几何形状的立方样品。结果分别在以下：10 × 10 × 10毫米的立方体

图3显示了使用蓝色激光构建的10 × 10 × 10毫米立方部件的示例。可以看到，立方形状是明确的，温和的表面粗糙度预期从DED工艺。平坦光滑的顶部表面表明均匀和充分的融化，直到最后一层构建。值得注意的是，激光光斑大小为1毫米(部件边长的1/10) ，但表面仅观察到轻微的粗糙度，这进一步表明在构建过程中达到了适当的融合条件。通过阿基米德法对部件的密度测量显示，样品1、2和3的相对密度分别为99.6±0.2%、98.1±0.2%和97.9±0.2% 。这与近红外激光制造的体积相同或更小的密度最大的部件相比，需要更高的能量密度。

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