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西安譜鐳德激光技術(shù)有限公司
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西安譜鐳德激光技術(shù)有限公司
閱讀：118發(fā)布時(shí)間：2023-9-15
增材制造技術(shù)在過去十年中取得了巨大進(jìn)步，可以快速制造具有復(fù)雜幾何形狀和不同原料的部件。因此，通過擴(kuò)展加工路線，以前具有挑戰(zhàn)性的材料(如純銅)的變得更加容易。然而，以前只有基于粉末床的工藝(通常配備近紅外激光器或電子束)被證明可以生產(chǎn)具有明確幾何形狀的大塊純銅部件，其中存在一定的缺點(diǎn)和局限性。這項(xiàng)研究展示了個(gè)通過送粉，定向能量沉積(DED)工藝用藍(lán)色激光建立的具有明確幾何形狀的大塊銅部件。生產(chǎn)了體積為1000 mm3的接近全密度(高達(dá)99.6%)的部件，這是迄今為止在激光中報(bào)道的密度的純銅部件，但與使用近紅外激光器制造的類似體積部件相比，其能量密度顯著降低。更大的部件體積為8000mm3，這是迄今為止在激光中報(bào)道的體積的純銅，也使用相同的構(gòu)建參數(shù)制造，相對密度高達(dá)94.1%。
1.簡介近年來，金屬增材制造取得了顯著的發(fā)展，廣泛使用的金屬材料生產(chǎn)，少量生產(chǎn)，大大降低了成本和交貨時(shí)間。由于銅具有優(yōu)異的熱學(xué)和電學(xué)性能，通過制造純銅(Cu)部件對于各種應(yīng)用都特別有意義，例如熱交換器和電氣組件。選擇性激光熔煉(SLM)和選擇性電子束熔煉(SEBM)是金屬中見的兩種基于粉末床的工藝，已成功制備了相對密度良好的大塊純銅部件。在這兩種工藝中，薄層粉末鋪在前一層粉末上，被光束選擇性地熔化。光束通常是近紅外(IR)激光在SLM和電子束在SEBM。無論激光類型如何，都沒有報(bào)道過體積超過1000 mm3的致密部件。相反，由于Cu的高光學(xué)反射率不影響電子束，在SEBM中已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了幾個(gè)體積較大的接近全密度Cu部件。制備出相對密度達(dá)到99.95%的2250 mm3 Cu長方體;制備了相對密度達(dá)到99.95%的4000 mm3的Cu長方體。盡管電子束為基礎(chǔ)的方法可以更容易地致密化純銅，特別是對于大體積的銅，但使用電子束的局限性，例如需要超高真空，與使用激光束相比，它不太容易獲得。另一方面，粉末床工藝可獲得的部件尺寸和制造限制了增材制造銅部件的應(yīng)用范圍。另一種常用的添加劑技術(shù)，送粉定向能量沉積(DED)，將粉末直接送入由激光束產(chǎn)生的熔池中，尚未廣泛用于生產(chǎn)純銅制品。除了能夠執(zhí)行與粉末床解決方案類似的制造工藝外，DED工藝還能夠再制造和修復(fù)部件，并實(shí)現(xiàn)更大的制造量。因此，使用DED增材制造純銅對于汽車和航空航天等多個(gè)行業(yè)都有重大意義。這項(xiàng)工作報(bào)告了次成功地使用單一藍(lán)色激光在DED中制造具有明確幾何形狀和高密度的大塊純銅部件。10 × 10 × 10毫米立方體的相對密度達(dá)到99.6%(阿基米德)，20 × 20 × 20毫米立方體的相對密度同樣很高，達(dá)到94.1%。
研究構(gòu)建并分析了10 × 10 × 10 mm(樣品1、2和3)和20 × 20 × 20 mm(樣品4)兩種不同幾何形狀的立方樣品。結(jié)果分別在以下：10 × 10 × 10毫米的立方體
可以看到，立方形狀是明確的，溫和的表面粗糙度預(yù)期從DED工藝。平坦光滑的頂部表面表明均勻和充分的融化，直到層構(gòu)建。值得注意的是，激光光斑大小為1毫米(部件邊長的1/10)，但表面僅觀察到輕微的粗糙度，這進(jìn)一步表明在構(gòu)建過程中達(dá)到了適當(dāng)?shù)娜诤蠗l件。通過阿基米德法對部件的密度測量顯示，樣品1、2和3的相對密度分別為99.6±0.2%、98.1±0.2%和97.9±0.2%。這與近紅外激光制造的體積相同或更小的密度的部件相比，需要更高的能量密度。
總結(jié)與結(jié)論目前的研究已經(jīng)證明，利用藍(lán)色激光在低能量密度和高幾何精度下工作，送粉DED可以很容易地生產(chǎn)出與使用近紅外激光在高能量密度下制造的體積相同的近全密度純銅部件。通過對不同條件下構(gòu)件的分析，得出以下結(jié)論:?增加激光功率被發(fā)現(xiàn)是有效的密度改善，但消極的結(jié)果在更高程度的紋理和晶粒柱狀構(gòu)建。?而增加掃描重疊量則有利于減小晶粒的織構(gòu)和柱狀度，同時(shí)提高部件密度。?在相同的構(gòu)建參數(shù)下，將構(gòu)建體積從標(biāo)準(zhǔn)的1000 mm3增加到8000 mm3，可以降低密度，但改善紋理和晶粒均勻性，假設(shè)這是由于建造更大體積時(shí)所經(jīng)歷的顯著增加的散熱造成的。?將使激光AM出更大體積，致密的銅部件或其他低藍(lán)光反射金屬成為可能，或減少紋理和不均勻的晶粒形態(tài)，預(yù)計(jì)將研究生產(chǎn)更小光斑尺寸(< 1 mm)的更高功率的藍(lán)色激光器(> 600 W)。
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