藍(lán)光激光定向能量沉積純銅零件的工藝及性能

楊永強(qiáng)，溫婭玲，王迪，周恒，牛增強(qiáng)，盧同杰

(1.華南理工大學(xué),廣州,510600；2.深圳市聯(lián)贏激光股份有限公司,深圳,518000)

0 序言

純銅因其具有優(yōu)異的導(dǎo)熱、導(dǎo)電性能，在電子電路、電感線圈、熱交換器、汽車發(fā)動(dòng)機(jī)、航空航天燃燒室零部件等對(duì)零部件的導(dǎo)熱、導(dǎo)電性能有較高要求的工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用廣泛[1].但是現(xiàn)有大多數(shù)純銅增材制造的研究集中在粉末床上，少有定向能量沉積方面的研究.文中采用激光定向能量沉積(laser directed energy deposition，LDED) 技術(shù)進(jìn)行純銅打印，該技術(shù)是通過激光輻照熔融粉末材料在零件上形成涂層，與等離子轉(zhuǎn)移弧焊和熱噴涂等傳統(tǒng)的涂層方法相比，激光定向能量沉積可以實(shí)現(xiàn)較小的熱效應(yīng)，與基體有良好的冶金結(jié)合[2].

相對(duì)密度與各項(xiàng)性能有著重要聯(lián)系，但純銅直接激光加工存在一定難度，Santo 等人[3]采用激光粉末床熔融(laser powder bed fusion，LPBF) 技術(shù)，連續(xù)光纖激光器在150 W 下打印的純銅相對(duì)密度僅71.0%；Ikeshoji 等人[4]采用高功率光纖激光器將打印件密度提升到96.6%；最終，Colopi 等人[5]采用1 kW 單模光纖激光器打印純銅粉，優(yōu)化工藝參數(shù)和打印策略后，相對(duì)密度達(dá)到99.1%.

銅的光反射率因波長和溫度而異.在室溫條件下，波長為1 064 nm 的紅外激光器，其光反射率高達(dá)90%，而在450 nm 的波長范圍內(nèi)，光吸收率約為紅外波長的6 倍[6].

隨著藍(lán)光激光器的發(fā)展，在增材制造領(lǐng)域上的應(yīng)用逐漸增多，Nuburu 公司的Finuf 等人[7]采用275 W 連續(xù)藍(lán)光波激光在500 μm 厚的銅箔板上進(jìn)行焊道測試，結(jié)果表明，波長的高吸收使得傳導(dǎo)模式和小孔焊接模式都能產(chǎn)生高度穩(wěn)定的焊縫熔池.Asano 等人[8]采用藍(lán)光和紅外二極管激光器在304 不銹鋼上激光沉積純銅，將紅外光激光金屬沉積與藍(lán)光激光金屬沉積進(jìn)行比較，結(jié)果表明，由于銅對(duì)藍(lán)光二極管激光器的吸收率較高，較小的激光功率即可獲得銅涂層.Britten 等人[9]展示了在鋼和銅襯底上高功率藍(lán)光激光熔覆純銅粉末的性能，演示了將銅基板預(yù)熱至250 ℃，并結(jié)合使用1 kW 藍(lán)光和1.5 kW 近紅外激光，最終形成相對(duì)密度大于95%的塊狀銅樣件，紅-藍(lán)復(fù)合激光或?qū)⒊蔀榻鉀Q純銅增材制造難點(diǎn)的重要途徑.

銅在短于紅外波段的波長范圍內(nèi)表現(xiàn)出較小的反射率，且藍(lán)光范圍內(nèi)的激光更能有效地加熱飛粉，通過大功率藍(lán)光激光器進(jìn)行加工，有望成為解決傳統(tǒng)紅外激光器加工困難、成形質(zhì)量差的有效手段.上述研究證明通過高功率紅外激光選區(qū)熔化可獲得高致密度樣件，以及采用藍(lán)光激光器可進(jìn)行純銅無飛濺焊接.然而目前缺乏純銅同軸送粉藍(lán)光激光定向能量沉積完整的單道單層、單道多層和多道多層研究.文中采用藍(lán)光激光器在不銹鋼基板上沉積純銅，分析單道單層的尺寸特征、單道多層薄壁件成形質(zhì)量和多道多層的組織結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能，探索1 000 W 藍(lán)光激光功率、2.0 mm 光斑直徑下，LDED 直接成形純銅的可行性.

1 試驗(yàn)方法

基材選用200 mm×100 mm×10 mm 和100 mm ×100 mm×10 mm 兩種尺寸的316L 不銹鋼鋼板，定向能量沉積使用粉末為北京康普錫威有限公司研發(fā)的銅粉.采用化學(xué)法對(duì)使用的純銅粉末進(jìn)行分析，其純度為99.96%，成分分析結(jié)果見表1.

表1 純銅粉末的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)Table 1 Chemical composition of pure copper powder

圖1 顯示了粉末的粒徑分布和掃描電子顯微鏡SEM 觀察圖像，采用氣體霧化法生產(chǎn)的純銅粉末，粒徑分布為45～ 106 μm，平均粒度為86.14 μm，SEM 形貌顯示大多數(shù)銅顆粒球形度高，畸形粉末少.

圖1 純銅粉末尺寸和形貌Fig.1 Size and morphology diagram of pure copper powder.(a) particle size distribution of powder;(b) SEM observation image of powder

在激光定向能量沉積技術(shù)中，激光束通過噴嘴照射到基板上，并在基板表面上形成一個(gè)局部加熱區(qū)域，稱為熔池，金屬粉末由惰性氣體氬氣攜帶送入其中進(jìn)行沉積，同時(shí)還提供同軸保護(hù)氣體，防止加工過程產(chǎn)生的煙塵進(jìn)入噴嘴，使激光光學(xué)透鏡免受污染，以確保加工過程的穩(wěn)定性.藍(lán)光激光定向能量沉積試驗(yàn)系統(tǒng)由5 個(gè)單元組成：激光系統(tǒng)、送粉系統(tǒng)、送氣系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)和運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng),如圖2 所示.激光器為藍(lán)光激光器(UM1000-455)，波長455 nm，峰值功率1 000 W；金屬粉末使用氬氣作為載體，經(jīng)雙桶送粉器(LAMPF-TD)輸送到環(huán)形同軸噴嘴，再同保護(hù)氣一起注入熔池；采用冷水機(jī)(東露陽)對(duì)激光器及激光頭進(jìn)行冷卻，保證設(shè)備的正常使用；x-y-z工作臺(tái)可以沿3 個(gè)線性軸移動(dòng)，以實(shí)現(xiàn)三維沉積，運(yùn)動(dòng)由計(jì)算機(jī)數(shù)控控制器集成和控制.沉積頭底部到基體的工作距離為13.0 mm，光斑直徑2.0 mm.

圖2 藍(lán)光同軸送粉激光定向能量沉積原理圖Fig.2 Schematic diagram of directional energy deposition of blue light coaxial powder feeding laser

第一步，實(shí)施全因子試驗(yàn)設(shè)計(jì)，以探究激光功率P，掃描速度vs，送粉速率vf對(duì)沉積層成形的影響，其它因素如載氣流量、保護(hù)氣流量和噴嘴高度保持不變.有研究表明，由于大塊鋼基板的導(dǎo)熱性較低，且銅和鋼之間存在混合，因此第一層在450 nm波長處僅需要600 W 的功率[9].同時(shí)，引入在紅外波段下的工藝參數(shù)，銅熔化和與基體潤濕所需的最小LEPF 值為4.5 kJ/g，對(duì)應(yīng)于600 W 的激光功率和8 g/min 的送粉速率.LEPF 值(27 kJ/g)的上限受到裂紋和氣孔生成的限制[10]，對(duì)應(yīng)于1 800 W 的激光功率和4 g/min 的送粉速率.考慮到純銅對(duì)藍(lán)光的吸收率高于紅外光，因此在上述范圍基礎(chǔ)上擴(kuò)大了送粉速率的范圍，最終選擇5 個(gè)水平上通過改變激光功率、掃描速度和送粉速率進(jìn)行全因子試驗(yàn).用于銅單道單層定向能量沉積試驗(yàn)的工藝參數(shù)如表2 所示.圖3 顯示了成形質(zhì)量較好的純銅定向能量沉積單道試樣.對(duì)所有單道試樣進(jìn)行線切割，然后對(duì)其截面打磨、拋光、腐蝕，腐蝕液由5 g FeCl3+50 mL HCl+100 mL H2O 配制而成，腐蝕20～ 30 s，最后采用超景深三維顯微鏡(Keyence VHX-5000)測量其沉積層寬度、沉積層高度和基材熔深.

表2 激光定向能量沉積試驗(yàn)工藝參數(shù)Table 2 Technological parameters of laser directional energy deposition test

圖3 成形質(zhì)量較好的純銅定向能量沉積單道試樣Fig.3 Single pass specimen of directional energy deposition of pure copper with good forming quality

第二步，根據(jù)第一步所得規(guī)律選擇合適的工藝參數(shù)，進(jìn)行單道多層探究，并打印出尺寸為φ80 mm ×100 mm 的多層薄壁的圓筒零件.

第三步，進(jìn)行純銅激光定向能量沉積的多道多層工藝探究，主要工藝參數(shù)如表3 所示.采用正交掃描的方式打印并切割出10 mm×10 mm×5 mm的塊狀試樣，并對(duì)其組織和致密度進(jìn)行分析.選取成形方塊的側(cè)面進(jìn)行打磨、拋光、腐蝕，然后用光學(xué)顯微鏡OM 觀察其顯微組織.同時(shí)，采用兩道搭接沿z軸成形方向循環(huán)往復(fù)掃描，并通過線切割得到拉伸樣件，對(duì)其進(jìn)行打磨拋光后，使用萬能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行力學(xué)性能測試.

表3 LDED 成形主要工藝參數(shù)Table 3 Main process parameters of LDED forming

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 工藝參數(shù)對(duì)沉積層成形的影響

工藝參數(shù)的變化會(huì)影響沉積層成形的宏觀尺寸，如沉積層的寬度、沉積層的高度、搭接表面平整度和尺寸差異等[11]，從而影響了所打印零件的宏觀尺寸和尺寸精度.激光定向能量沉積層的宏觀尺寸可以用沉積層的形狀特征來表示，具體是指沉積層的寬度W、沉積層的高度H、沉積層的厚度即基材熔深h與沉積層的高度之和，圖4 所示為形狀特征示意圖.

圖4 激光定向能量沉積形狀特征尺寸Fig.4 Shape feature dimension diagram of laser directional energy deposition

激光功率P是激光定向能量沉積的能量來源，是功率密度的主要因子，也是影響沉積層成形尺寸的重要因素.由圖5 可知，在其它參數(shù)不變，掃描速度為400 mm/min 和送粉速率為13.89 g/min 時(shí)，激光功率對(duì)沉積層的高度影響不大，隨著功率的增加，熔道寬度、基材熔深均增加.試驗(yàn)是在不銹鋼基板上沉積純銅，由于純銅良好的導(dǎo)熱性和散熱性，使得熔道高度增加更為困難，相反不銹鋼基板散熱性相較而言更差，更容易熱集中，因此使得激光功率對(duì)熔道寬度的影響大于對(duì)熔道高度的影響，同時(shí)隨著激光功率的增加，單位面積上得到的能量也相應(yīng)增加，使熔池變大變深.

圖5 激光功率對(duì)沉積層高度、寬度和熔深的影響Fig.5 Effect of laser power on deposition layer height,deposition layer width and molten pool depth

掃描速度是改變激光能量密度的重要因素之一.由圖6 可知，在其它參數(shù)不變，激光功率為1 000 W、送粉速率為13.89 g/min 時(shí)，隨著掃描速度的增加沉積層寬度和沉積層高度都降低.這是因?yàn)殡S著掃描速度的增加，金屬粉末與激光在熔池中的作用時(shí)間降低，導(dǎo)致單位時(shí)間單位面積上的能量輸入降低.同時(shí)掃描速度的增加也使得單位空間內(nèi)送入熔池的粉末量減少，也導(dǎo)致沉積層變窄.當(dāng)掃描速度超過一定使得能量密度低于金屬粉末熔點(diǎn)的數(shù)值之后，就無法得到完整且連續(xù)的熔覆層，因此選擇合理的掃描速度既可以得到成形質(zhì)量較高的沉積層，也可以為后續(xù)單層多道、多層多道的成形提供保障.

圖6 掃描速度對(duì)沉積層高度、寬度和熔深的影響Fig.6 Effect of scanning speed on deposition layer height,deposition layer width and molten pool depth

送粉速率是影響單位時(shí)間內(nèi)被送入熔池的金屬粉末量的重要參數(shù).由圖7 可知，保持其參它數(shù)不變，激光功率為900 W、掃描速度為300 mm/min時(shí)，隨著送粉速率的增加沉積層高度變化不大，沉積層寬度及熔池深度均有增加.在316L 不銹鋼上沉積銅時(shí)，熔池中心區(qū)域的溫度高于邊緣區(qū)域，這種溫差導(dǎo)致表面張力梯度朝向熔池邊緣[12].此外粉末顆粒為熔池增加了質(zhì)量和動(dòng)量.這些添加劑會(huì)影響熔池中的流體溫度分布和流動(dòng)模式.由于顆粒撞擊力的不同，粉末速度會(huì)影響熔池的流型和穿透力.較大的顆粒具有更大的沖擊力，導(dǎo)致熔池流速增加[13].因此增加粉末量也難以提高沉積層高度，反而增加了沉積層的寬度和深度，促進(jìn)了銅和不銹鋼的連接.

圖7 送粉速率對(duì)沉積高度、寬度和熔深的影響Fig.7 Effect of powder feeding rate on deposition height,deposition width and molten pool depth

2.2 藍(lán)光LDED 成形純銅薄壁零件

送粉速率、激光功率和掃描速度3 個(gè)工藝參數(shù)對(duì)于外觀成形的影響較為顯著，是單道多層試驗(yàn)中首要考慮優(yōu)化的工藝參數(shù)，同時(shí)為保證沉積的穩(wěn)定性和能量的利用率，選用激光功率750 W，掃描速度300 mm/min，送粉速度9.92 g/min 的工藝參數(shù)進(jìn)行連貫螺旋線掃描打印，如圖8a 所示，第一圈z軸不變，從第二圈開始，每旋轉(zhuǎn)一周z軸方向抬高0.4 mm，最后打印出φ80 mm×100 mm 的薄壁圓筒零件.LDED 成形后其上表面平整光滑無凸點(diǎn)，內(nèi)外側(cè)邊可見明顯但分布均勻的層紋，如圖8b 所示.簡單拋光后，其表面光潔無孔隙，如圖8c 所示.

圖8 藍(lán)光LDED 成形純銅薄壁零件圖Fig.8 Blue light LDED formed pure copper thin-walled parts.(a) schematic diagram of scanning route;(b) LDED forming;(c) surface treatment

2.3 藍(lán)光LDED 成形組織和性能分析

通過進(jìn)一步正交掃描打印方塊樣件發(fā)現(xiàn)，隨著打印層數(shù)的增加，純銅沉積所需的能量需要進(jìn)一步增加，因此擴(kuò)大了工藝參數(shù)范圍，當(dāng)激光功率為900 W，掃描速度為200 mm/min，送粉速率為2.98 g/min，填充間距為1.0 mm，層厚為0.6 mm 時(shí)，得到了的最高相對(duì)密度為99.10%塊狀樣件.圖9 顯示了工藝變量下，用藍(lán)光激光定向能量沉積制造的塊狀銅樣品的顯微組織結(jié)構(gòu).

圖9 藍(lán)光LDED 成形純銅側(cè)面組織結(jié)構(gòu)圖Fig.9 Side structure of blue LDED formed pure copper.(a) side structure diagram of pure copper;(b)partial enlarged view

從OM 圖發(fā)現(xiàn)，晶粒的形態(tài)取決于成形位置和掃描方向，沿著成形方向(z)的不同，晶粒形態(tài)也有所不同.靠近基板(結(jié)合區(qū))，熔池邊界冷卻速度快，因此晶粒比較細(xì)且取向比較雜亂.隨著沉積高度的上升，到中間區(qū)域晶粒結(jié)構(gòu)逐漸粗大(穩(wěn)定區(qū))，最后隨著溫度梯度的變化，晶粒沿著掃描方向外延生長，如圖9a 所示.此外，隨著沉積高度的增長，因純銅良好的導(dǎo)熱性致使孔隙逐漸增多，從以近球形為特征的因熔池內(nèi)的氣體包裹而形成的氣體包封孔隙(I 型)，到缺乏熔合以及包含未熔化粉末的不規(guī)則孔隙(II 型)[14].據(jù)觀察，I 型和II 型孔隙分別出現(xiàn)在結(jié)合區(qū)和穩(wěn)定區(qū)，但I(xiàn)I 型在穩(wěn)定區(qū)出現(xiàn)頻率更高，如圖9b.

激光加工零件的微觀組織決定了零件的性能，而金屬增材制造成形組織形貌主要取決于冷卻速度和溫度梯度[15].溫度梯度G、凝固速率R和過冷度ΔT是控制凝固模式、微觀結(jié)構(gòu)細(xì)化以及晶粒結(jié)構(gòu)發(fā)展的關(guān)鍵因素[16].對(duì)于用LDED 加工的特定材料，G,R和ΔT值是由工藝參數(shù)組合隱式?jīng)Q定，即使工藝參數(shù)保持不變，晶粒結(jié)構(gòu)在微觀和宏觀尺度上也不一定一致.例如結(jié)合區(qū)內(nèi)部觀察到的晶粒形態(tài)的不均勻性歸因于動(dòng)態(tài)G/R[17].從穩(wěn)定區(qū)可以看出，晶粒生長方向的傾斜由最大熱流方向決定，這意味著它與最高溫度梯度一致.在結(jié)合區(qū)，更深的熔池有利于促進(jìn)銅沉積層和襯底之間形成良好連接.

優(yōu)化工藝參數(shù)后，采用兩道搭接，沿z軸方向循環(huán)往復(fù)打印，打印出具有一定厚度的塊件，再通過電火花線切割機(jī)進(jìn)行拉伸件的切割.最后對(duì)比遠(yuǎn)離基板一側(cè)的拉伸樣件L-1、靠基板更近的L-2 的力學(xué)性能.

遠(yuǎn)離基板一側(cè)的L-1 極限拉應(yīng)力為196.55 MPa，與傳統(tǒng)工藝鑄造的純銅樣件最小極限拉應(yīng)力200 MPa[18]相比差距不大.同一工藝參數(shù)下打印的同一樣件，針對(duì)不同的成形位置分別制取的L-1 和L-2 力學(xué)拉伸試樣，試驗(yàn)結(jié)果如圖10 所示.L-1 試樣的橫向抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度均強(qiáng)于L-2 試樣的，分別高出了10.40%和10.87%，但L-2 的斷后伸長率相比L-1 高出了7.56%.

圖10 單工藝不同成形位置力學(xué)性能Fig.10 Mechanical properties of different forming positions of single process.(a) tensile stress-strain curves of different forming positions in single process;(b) mechanical properties histogram

2.4 討論

試驗(yàn)提供了關(guān)于在不銹鋼基板上采用藍(lán)光激光定向能量沉積純銅工藝參數(shù)對(duì)其沉積尺寸的影響，結(jié)果證實(shí)，激光功率、掃描速度和送粉速度對(duì)沉積層的尺寸起著關(guān)鍵作用.這里引入激光功率和送粉速率的比值，該參數(shù)被稱為每單位送粉激光能量(LEPF).從所有結(jié)果觀察到，LEPF 值在2.592～6.048 kJ/g 范圍內(nèi)會(huì)進(jìn)行連續(xù)穩(wěn)定沉積，而LEPF值大于6.050 kJ/g 時(shí)，由于可用于沉積的激光能量過多會(huì)導(dǎo)致氣孔的出現(xiàn).

熱效應(yīng)驅(qū)動(dòng)的馬蘭戈尼對(duì)流與表面張力和溫度梯度成正比[19].LDED 熔池反應(yīng)機(jī)理如圖11 所示.在316L 不銹鋼上沉積銅時(shí)，熔池中心區(qū)域的溫度高于邊緣區(qū)域.這種溫差導(dǎo)致表面張力梯度朝向熔池邊緣[12].此外，純銅極高的導(dǎo)熱系數(shù)增大了溫度梯度G，從而強(qiáng)化了熔池中馬蘭戈尼對(duì)流的動(dòng)力學(xué).同時(shí)，液態(tài)金屬由于重力向下流動(dòng)到熔池底部，因此在熔池中實(shí)現(xiàn)了循環(huán)液體流動(dòng)，這有利于銅和不銹鋼在界面上的顯著擴(kuò)散.

圖11 LDED 熔池反應(yīng)機(jī)理Fig.11 Molten pool reaction mechanism diagram of LDED

在多道多層研究中，通過對(duì)試樣組織分析，在其側(cè)面發(fā)現(xiàn)了兩種穩(wěn)定的孔隙，對(duì)其致密度和力學(xué)性能有著決定性影響.為了獲得均勻和無缺陷的沉積，應(yīng)考慮合理的激光功率、掃描速度和送粉速率工藝組合.隨著沉積層數(shù)的增加，純銅沉積所需的能量也需要進(jìn)一步增加，直至最大激光功率1 000 W，因此更高功率的短波長激光器或紅-藍(lán)光復(fù)合激光定向能量沉積將成為純銅增材制造的主要解決方案.

3 結(jié)論

(1) 激光功率、掃描速度和送粉速度對(duì)沉積層的尺寸起著關(guān)鍵作用，LEPF 值在2.592～ 6.048 kJ/g范圍內(nèi)會(huì)進(jìn)行連續(xù)穩(wěn)定沉積，而LEPF 值大于6.050 kJ/g 時(shí)，由于可用于沉積的激光能量過多會(huì)導(dǎo)致氣孔的出現(xiàn).

(2) 采用LEPF 值為4.53 kJ/g 的工藝參數(shù)，螺旋連貫掃描打印出層間均勻、表面平整的φ80 mm ×100 mm 的圓筒薄壁件.當(dāng)激光功率為900 W，掃描速度為200 mm/min，填充間距為1.0 mm，層厚為0.6 mm 時(shí)，獲得的最高相對(duì)密度為99.10%的塊狀樣件.

(3) 靠近基板(結(jié)合區(qū))，冷卻速度快，熔池晶粒結(jié)構(gòu)晶粒比較細(xì)，且取向比較雜亂.隨著沉積高度的上升，到中間區(qū)域晶粒結(jié)構(gòu)逐漸粗大(穩(wěn)定區(qū))，到最后隨著溫度梯度的變化，致使晶粒沿著掃描方向外延生長.在兩個(gè)區(qū)域均檢測到兩種類型的孔隙：近球形的氣體包封孔隙(I 型)以及未熔合和未熔化的粉末孔隙(II 型)，在穩(wěn)定區(qū)觀察到II 型更多.相同工藝參數(shù)下，遠(yuǎn)離基板位置試樣的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度比靠近基板位置的試樣分別高出了10.40%和10.87%，但靠近基板位置試樣的斷后伸長率高7.56%.