楊永強，溫婭玲，王迪，周恒，牛增強，盧同杰

(1.華南理工大學,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)異的導熱、導電性能，在電子電路、電感線圈、熱交換器、汽車發(fā)動機、航空航天燃燒室零部件等對零部件的導熱、導電性能有較高要求的工業(yè)領域應用廣泛[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現(xiàn)較小的熱效應，與基體有良好的冶金結(jié)合[2].

相對密度與各項性能有著重要聯(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，相對密度達到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].

隨著藍光激光器的發(fā)展，在增材制造領域上的應用逐漸增多，Nuburu 公司的Finuf 等人[7]采用275 W 連續(xù)藍光波激光在500 μm 厚的銅箔板上進行焊道測試，結(jié)果表明，波長的高吸收使得傳導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光激光金屬沉積進行比較，結(jié)果表明，由于銅對藍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光激光熔覆純銅粉末的性能，演示了將銅基板預熱至250 ℃，并結(jié)合使用1 kW 藍光和1.5 kW 近紅外激光，最終形成相對密度大于95%的塊狀銅樣件，紅-藍復合激光或?qū)⒊蔀榻鉀Q純銅增材制造難點的重要途徑.

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，且藍光范圍內(nèi)的激光更能有效地加熱飛粉，通過大功率藍光激光器進行加工，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，以及采用藍光激光器可進行純銅無飛濺焊接.然而目前缺乏純銅同軸送粉藍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)和力學性能，探索1 000 W 藍光激光功率、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.采用化學法對使用的純銅粉末進行分析，其純度為99.96%，成分分析結(jié)果見表1.

表1 純銅粉末的化學成分(質(zhì)量分數(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行沉積，同時還提供同軸保護氣體，防止加工過程產(chǎn)生的煙塵進入噴嘴，使激光光學透鏡免受污染，以確保加工過程的穩(wěn)定性.藍光激光定向能量沉積試驗系統(tǒng)由5 個單元組成：激光系統(tǒng)、送粉系統(tǒng)、送氣系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)和運動控制系統(tǒng),如圖2 所示.激光器為藍光激光器(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，再同保護氣一起注入熔池；采用冷水機(東露陽)對激光器及激光頭進行冷卻，保證設備的正常使用；x-y-z工作臺可以沿3 個線性軸移動，以實現(xiàn)三維沉積，運動由計算機數(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，實施全因子試驗設計，以探究激光功率P，掃描速度vs，送粉速率vf對沉積層成形的影響，其它因素如載氣流量、保護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，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，對應于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]，對應于1 800 W 的激光功率和4 g/min 的送粉速率.考慮到純銅對藍光的吸收率高于紅外光，因此在上述范圍基礎上擴大了送粉速率的范圍，最終選擇5 個水平上通過改變激光功率、掃描速度和送粉速率進行全因子試驗.用于銅單道單層定向能量沉積試驗的工藝參數(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.對所有單道試樣進行線切割，然后對其截面打磨、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，并對其組織和致密度進行分析.選取成形方塊的側(cè)面進行打磨、拋光、腐蝕，然后用光學顯微鏡OM 觀察其顯微組織.同時，采用兩道搭接沿z軸成形方向循環(huán)往復掃描，并通過線切割得到拉伸樣件，對其進行打磨拋光后，使用萬能試驗機進行力學性能測試.

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

2 試驗結(jié)果與討論

2.1 工藝參數(shù)對沉積層成形的影響

工藝參數(shù)的變化會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，激光功率對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.試驗是在不銹鋼基板上沉積純銅，由于純銅良好的導熱性和散熱性，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熔道寬度的影響大于對熔道高度的影響，同時隨著激光功率的增加，單位面積上得到的能量也相應增加，使熔池變大變深.

圖5 激光功率對沉積層高度、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，隨著掃描速度的增加沉積層寬度和沉積層高度都降低.這是因為隨著掃描速度的增加，金屬粉末與激光在熔池中的作用時間降低，導致單位時間單位面積上的能量輸入降低.同時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，也導致沉積層變窄.當掃描速度超過一定使得能量密度低于金屬粉末熔點的數(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，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，熔池中心區(qū)域的溫度高于邊緣區(qū)域，這種溫差導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)量和動量.這些添加劑會影響熔池中的流體溫度分布和流動模式.由于顆粒撞擊力的不同，粉末速度會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，促進了銅和不銹鋼的連接.

圖7 送粉速率對沉積高度、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 個工藝參數(shù)對于外觀成形的影響較為顯著，是單道多層試驗中首要考慮優(yōu)化的工藝參數(shù)，同時為保證沉積的穩(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，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 藍光LDED 成形組織和性能分析

通過進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一步增加，因此擴大了工藝參數(shù)范圍，當激光功率為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，得到了的最高相對密度為99.10%塊狀樣件.圖9 顯示了工藝變量下，用藍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II 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)細化以及晶粒結(jié)構(gòu)發(fā)展的關鍵因素[16].對于用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)往復打印，打印出具有一定厚度的塊件，再通過電火花線切割機進行拉伸件的切割.最后對比遠離基板一側(cè)的拉伸樣件L-1、靠基板更近的L-2 的力學性能.

遠離基板一側(cè)的L-1 極限拉應力為196.55 MPa，與傳統(tǒng)工藝鑄造的純銅樣件最小極限拉應力200 MPa[18]相比差距不大.同一工藝參數(shù)下打印的同一樣件，針對不同的成形位置分別制取的L-1 和L-2 力學拉伸試樣，試驗結(jié)果如圖10 所示.L-1 試樣的橫向抗拉強度、屈服強度均強于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

試驗提供了關于在不銹鋼基板上采用藍光激光定向能量沉積純銅工藝參數(shù)對其沉積尺寸的影響，結(jié)果證實，激光功率、掃描速度和送粉速度對沉積層的尺寸起著關鍵作用.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)會進行連續(xù)穩(wěn)定沉積，而LEPF值大于6.050 kJ/g 時，由于可用于沉積的激光能量過多會導致氣孔的出現(xiàn).

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

圖11 LDED 熔池反應機理Fig.11 Molten pool reaction mechanism diagram of LDED

在多道多層研究中，通過對試樣組織分析，在其側(cè)面發(fā)現(xiàn)了兩種穩(wěn)定的孔隙，對其致密度和力學性能有著決定性影響.為了獲得均勻和無缺陷的沉積，應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-藍光復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沉積層的尺寸起著關鍵作用，LEPF 值在2.592～ 6.048 kJ/g范圍內(nèi)會進行連續(xù)穩(wěn)定沉積，而LEPF 值大于6.050 kJ/g 時，由于可用于沉積的激光能量過多會導致氣孔的出現(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，獲得的最高相對密度為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，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，遠離基板位置試樣的抗拉強度、屈服強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%.