激光增材制造技術(shù)常用金屬材料激光吸收率測(cè)量*

（西安交通大學(xué)機(jī)械制造系統(tǒng)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710049）

激光由于其方向性、相干性好和功率高的特點(diǎn)，自20世紀(jì)90年代以來(lái)被廣泛應(yīng)用于金屬切割、焊接、打孔和增材制造等加工工藝中。金屬對(duì)激光的吸收率決定金屬材料在加工時(shí)對(duì)激光能量的利用率，直接影響激光成形的難易程度，對(duì)激光加工的工藝參數(shù)和工藝路線的選擇有參考意義。金屬對(duì)激光的吸收率除了與金屬材料的材料性質(zhì)有關(guān)外，還取決于金屬材料的溫度、表面狀況、表面的氧化程度、激光的偏振角、入射角和激光的波長(zhǎng)[1-5]，而金屬粉末對(duì)激光的吸收率還與粉末的形狀、大小及粉末的松裝比有關(guān)。對(duì)于激光而言，激光波長(zhǎng)為532nm的綠光激光器的技術(shù)尚未成熟，現(xiàn)在工業(yè)領(lǐng)域使用較多的是波長(zhǎng)為1064nm的紅外激光。

金屬的激光增材制造（Laser Additive Manufacturing,LAM）技術(shù)以激光為熱源，通過(guò)激光的逐層燒結(jié)或熔化金屬來(lái)制造金屬零件整體,主要包括選區(qū)激光燒結(jié)（Selective Laser Sintering, SLS）技術(shù)[6-7]、選區(qū)激光熔化（Selective Laser Melting, SLM）技術(shù)[8-9]和激光近凈成形（Laser Engineered Net Shaping, LENS）技術(shù)[10]。LAM自20世紀(jì)80年代初步發(fā)展以來(lái)，現(xiàn)已被應(yīng)用于航空航天、生物和汽車制造等領(lǐng)域，具有廣泛的應(yīng)用前景。不銹鋼、高溫合金、鈦合金是已知的較容易激光成形的金屬材料，而導(dǎo)電能力較好的材料包括金、銀、銅和鋁，以及鎢、鉭等熔點(diǎn)較高的材料，隨著激光器技術(shù)的發(fā)展也越來(lái)越多地應(yīng)用于金屬增材制造技術(shù)中[10-17]。

本文利用反射率測(cè)量裝置對(duì)金屬粉末和金屬板材對(duì)1064nm、532nm激光的吸收率進(jìn)行測(cè)量，對(duì)比金屬粉末顆粒大小和形狀對(duì)粉末激光吸收率的影響，測(cè)量這些常用激光金屬直接成形材料的激光吸收率，對(duì)激光直接成形制造工藝研究有重要意義。

1 測(cè)量

1.1 測(cè)量裝置

對(duì)某種金屬材料而言，其對(duì)激光的吸收率A可表示為：

式中，T為金屬對(duì)激光的透射率，R為金屬對(duì)激光的反射率。

對(duì)大多數(shù)金屬而言，其透射率T=0（A=1-R），因此，測(cè)得金屬對(duì)激光的反射率，即可得出金屬對(duì)激光的吸收率。

測(cè)量采用荷蘭Avantes公司生產(chǎn)的反射率測(cè)量裝置。如圖1所示，裝置由1臺(tái)波長(zhǎng)分析范圍為200～1100nm 的 AvaSpec-ULS2048(L)光纖光譜儀，1 臺(tái)型號(hào)為AvaLight-HAL-S-BAL能發(fā)射200～2500nm波長(zhǎng)光譜的均衡型氘-鹵鎢燈光源，1臺(tái)電腦和1個(gè)AvaSphere-30-REFL型號(hào)反射型積分球及其配套光纖組成。反射率測(cè)量如式（2）所示，對(duì)于探測(cè)光纖的某個(gè)像素點(diǎn)n而言，測(cè)量時(shí)先使用漫反射參考白板作為參考，測(cè)得參考在該像素點(diǎn)測(cè)得的反射光強(qiáng)refn，再通過(guò)測(cè)得樣品Sample光照時(shí)在該像素點(diǎn)的反射光強(qiáng)samplen和無(wú)光照時(shí)的反射光強(qiáng)darkn，通過(guò)公式（2）即可得到樣品在該像素點(diǎn)n的反射率Rn。通過(guò)裝置自身配備的軟件對(duì)探測(cè)光纖的每個(gè)像素點(diǎn)進(jìn)行積分，并對(duì)測(cè)量次數(shù)取平均值，可得到樣品隨光譜波長(zhǎng)變化的反射率值曲線。

1.2 測(cè)量方法

圖1 反射率測(cè)量裝置Fig.1 Schematic diagram of the laser light reflectivity measurement device

測(cè)量時(shí)，將器皿盛放的金屬粉末或者是金屬板材放在AvaSphere-30-REFL型號(hào)反射型積分球底部的樣品口下，金屬粉末或金屬塊與積分球下表面直接接觸。測(cè)量原理如圖2所示，光通過(guò)照射口進(jìn)入積分球，在樣品表面首先發(fā)生第一次反射，反射光在積分球內(nèi)表面經(jīng)過(guò)多次均勻漫反射后非常均勻地散射在積分球內(nèi)部。探測(cè)光纖通過(guò)接頭與積分球側(cè)面的接口相連，該接口內(nèi)部有一個(gè)擋光板，光纖只能測(cè)量到擋光板上的光，這樣就不受從照射口進(jìn)入光的角度影響，從而避免了第一次反射光直接進(jìn)入光纖。對(duì)每個(gè)像素點(diǎn)的反射光強(qiáng)進(jìn)行積分，并對(duì)測(cè)量次數(shù)取平均值，即可得到樣品隨光譜波長(zhǎng)變化的反射率值曲線。

1.3 測(cè)量材料

試驗(yàn)測(cè)量了 Fe314、Fe901、DZ125、GH4169、H73、Cu、Al、W 以及 Ti6Al4V 粉末，F(xiàn)e314、DZ125、GH4169、H73、Al、Cu、W以及Ti6Al4V金屬板對(duì)激光的吸收率。

Fe314、Fe901、DZ125、GH4169、H73、Al、Ti6Al4V粉末均為球形粉末，通過(guò)氣霧法制備，W粉末為近球形粉末，通過(guò)機(jī)械球磨法制備。此外，對(duì)不同粒度大小的GH4169粉末，不同球形度的Cu粉的激光吸收率進(jìn)行了測(cè)量。表1列出了各種粉末材料的純度和粒度大小值。表2為各金屬板材的材料純度大小值，金屬板材都經(jīng)過(guò)240#砂紙打磨并用無(wú)水酒精清洗表面的污漬，處理過(guò)后表面具備一定的粗糙度。對(duì)于形狀不同的銅粉，圖3（a）、3（b）分別為球形銅粉、近球形銅粉的掃描電子顯微鏡照片，其中，近球形銅粉的粉末球形度較差。

2 結(jié)果與討論

圖2 積分球原理示意圖Fig.2 Schematic diagram of integrating sphere

表3、4分別為各粉末、金屬板材對(duì)1064nm、532nm激光吸收率的測(cè)量值。可以看出，無(wú)論是粉末材料還是金屬板材，對(duì)532nm激光的吸收率均大于1064nm激光的吸收率。球形銅粉的粉末對(duì)1064nm和532nm激光的吸收率比近球形銅粉的分別高12%和4%，說(shuō)明金屬粉末的球形度較好時(shí)，粉末對(duì)激光的吸收率更高。這可能是由于當(dāng)粉末的球形度較好時(shí)，粉末顆粒排列比較規(guī)則、顆粒之間的空隙較多，激光照射在粉末上發(fā)生重復(fù)反射的幾率較大，次數(shù)較多，因此吸收率也較大。銅、鋁對(duì)1064nm激光的吸收率比較低，這是由材料性質(zhì)決定的。材料的導(dǎo)電性能越好，其表面的自由電子數(shù)越多，對(duì)激光的反射率也就越高，因?yàn)橹挥屑す忸l率比較接近自由電子的固有頻率時(shí)激光才能很好地被吸收，而紅外激光和CO2激光的激光頻率與自由電子的固有頻率相差較遠(yuǎn)，所以導(dǎo)電性能較好的材料對(duì)激光的吸收率也較差。

表1 粉末的純度和粒度值

表2 金屬塊材料的純度值

圖3 不同球形度銅粉形狀Fig.3 Copper powders of different sphericity

圖4所示為 0～25μm、51～61μm和 88～100μm 的GH4169粉末對(duì)1064nm激光的吸收率?？梢钥闯?，粉末的粒度越大，其對(duì)激光的吸收率也越大。這是由于粉末的粒度越大，粉末之間的空隙也越多，激光就越有可能穿過(guò)表層粉末顆粒進(jìn)入至里層，從而激光發(fā)生多次反射的次數(shù)也越多，因此對(duì)激光的吸收率也越高。

表3 不同粉末對(duì)激光的吸收率測(cè)量值 %

表4 不同金屬板材對(duì)激光的吸收率測(cè)量值 %

圖4 GH4169粉末粒度對(duì)1064nm激光吸收率的影響Fig.4 Influence of GH4169 powders diameter on 1064nm laser light absorptivity

3 結(jié)論

（1）金屬粉末粒度在0～100μm時(shí)，粉末粒度越大，球形度越好，激光在粉末表面發(fā)生多次反射的可行性就比較大，粉末對(duì)激光的吸收率也越好。

（2）金屬粉末和金屬板材對(duì)532nm綠光激光的吸收率高于對(duì)1064nm紅外激光的吸收率，尤其對(duì)銅、鋁等高導(dǎo)電率材料而言，差異尤為明顯。綠光激光器的技術(shù)發(fā)展成熟后，應(yīng)用較高功率532nm綠光激光增材制造銅、鋁或這些材料的合金的難度將大大減小。

參 考 文 獻(xiàn)

[1]UJIHARA K. Reflectivity of metals at high temperatures[J].Journal of Applied Physics, 1972, 43(5): 2376-2383.

[2]BERGSTR?M D, POWELL J, KAPLAN A F H. A ray-tracing analysis of the absorption of light by smooth and rough metal surfaces[J].Journal of Applied Physics, 2007, 101(11): 202-212.

[3]BERGSTR?M D, POWELL J, KAPLAN A F H. The absorption of light by rough metal surfaces—A three-dimensional ray-tracing analysis[J]. Journal of Applied Physics, 2008, 103(10): 323-334.

[4]URSU I, APOSTOL I, CRACIUN D, et al. On the influence of surface condition on air plasma formation near metals irradiated by microsecond TEA CO2laser pulses[J]. Journal of Physics D Applied Physics, 1984, 17(4): 709-720.

[5]BERGSTR?M D, KAPLAN A. Mathematical modelling of laser absorption mechanisms in metals: a review[C]// Proceedings of the 16th meeting on mathematical modelling of materials processing with lasers.Sweden: Lule? University of Technology, 2003.

[6]AGARWALA M. Direct selective laser sintering of metals[J].Rapid Prototyping Journal, 2013, 1(1): 26-36.

[7]WANG X, LAOUI T, FROYEN L, et al. Lasers and materials in selective laser sintering[J]. Assembly Automation, 2003, 23(4): 357-371.

[8]PHAM D T, GAULT R S. A comparison of rapid prototyping technologies[J]. International Journal of Machine Tools & Manufacture,1998, 38(10-11): 1257-1287.

[9]楊永強(qiáng), 王迪, 吳偉輝. 金屬零件選區(qū)激光熔化直接成型技術(shù)研究進(jìn)展[J]. 中國(guó)激光, 2011, 38(6): 54-64.YANG Yongqiang, WANG Di, WU Weihui. Research progress of direct manufacturing of metal parts by selective laser melting[J]. Chinese Journal of Lasers, 2011, 38(6): 54-64.

[10]BADROSSAMAY M, CHILDS T H C. Further studies in selective laser melting of stainless and tool steel powders[J]. International Journal of Machine Tools & Manufacture, 2007, 47(5): 779-784.

[11]閆世興, 董世運(yùn), 徐濱士,等. Fe314合金粉末激光快速成形組織與力學(xué)性能分析[J]. 中國(guó)激光, 2009, 36(11): 3074-3078.YAN Shixing, DONG Shiyun, XU Binshi, et al. Analysis of mechanical properties and microstructures of laser rapid forming components with Fe314 alloy powders[J]. Chinese Journal of Lasers, 2009, 36(11): 3074-3078.

[12]WU X H, LIANG J, MEI J. Microstructures of laser-deposited Ti–6Al–4V[J]. Materials & Design, 2004, 25(2): 137-144.

[13]KHAN M. Selective laser melting (SLM) of gold (Au)[J]. Rapid Prototyping Journal, 2013,18(1): 81-94.

[14]POGSON S R. The production of copper parts using DMLR[J].Rapid Prototyping Journal, 2003, 9(5): 334-343.

[15]BUCHBINDER D, SCHLEIFENBAUM H, HEIDRICH S, et al.High power selective laser melting (HP SLM) of aluminum parts[J]. Physics Procedia, 2011, 12(1): 271-278.

[16]ZHOU X, LIU X, ZHANG D, et al. Balling phenomena in selective laser melted tungsten[J]. Journal of Materials Processing Technology, 2015, 222: 33-42.

[17]SING S L, YEONG W Y, WIRIA F E. Selective laser melting of titanium alloy with 50 wt% tantalum: microstructure and mechanical properties[J]. Journal of Alloys & Compounds, 2016, 660： 461-470.