長三角G60雷射聯盟導讀
據悉，賓夕法尼亞大學、斯坦福大學、勞倫斯利弗莫爾國家實驗室（LLNL）的研究人員報道了用于金屬3D列印的高吸收率納米紋理粉末的最新研究。相關論文以“High absorptivity nanotextured powders for additive manufacturing”為題發表在《Science Advances》上。
金屬增材制造（AM）在醫療保健、航空航天、汽車和能源行業具有廣泛的應用潛力。迄今為止，金屬增材制造的應用還受限于一小部分無需大量後處理即可穩定列印的可焊接材料，如不鏽鋼、AlSi10Mg、一些鎳超合金和钛合金。商用雷射粉末床熔融（LPBF）系統可輕松列印這些材料，該系統通常使用近紅外（波長為1060至1080納米）雷射在金屬粉末層上掃描，以誘導熔化并熔合粉末。逐層重複這一過程，便可獲得淨形三維（3D）列印結構。然而，由于粉末原料的光熱特性，難以焊接的高反射率和難熔金屬的自由形态列印一直受到限制。
在研究中，科研人員開發的蝕刻工藝，用于生産改性金屬粉末原料，特别是用于提高吸收率。在金屬粉末表面引入納米級凹槽，進而在雷射粉末床熔融過程中将粉末吸收率提高多達70%。利用濕化學蝕刻技術對傳統金屬粉末的表面進行改性，以産生納米級的表面特征。科研人員利用原位量熱實驗、單個粉末顆粒表面的電磁（EM）模拟以及粉末床的光線跟蹤模拟，證明了由于粉末納米級特征上的局部吸收增加，進而提高了吸收率。
雖然列印部件的品質受到吸收率以外的許多因素的影響，但科研人員證明，這些表面改性粉末可以使用較低功率（100到500W）的雷射金屬3D列印系統列印出高純度的銅和鎢金屬結構。銅、銅銀和鎢吸收率的提高實作了高能效制造，用低至每立方毫米83焦耳的雷射能量密度列印出相對密度高達92%的純銅。這裡開發的方法可以列印難以焊接的高反射率和難熔純金屬，而所需能量與商業列印合金相同。模拟結果表明，納米級凹槽中的等離子體共振光聚集與多重散射效應相結合，增強了粉末總吸收率。本文所采用的方法展示了一種通用方法，可在不改變原料成分的情況下，通過改變原料的表面形态來增強反射性和難熔金屬粉末的吸收性和可列印性。
蝕刻産生納米級表面結構
科研人員通過批量溶液工藝制備了納米紋理銅粉、銅銀粉和鎢粉。科研人員使用FeCl3、鹽酸和乙醇溶液對購買的銅粉（LPW 科技有限公司，純度 99.95%）和自制的銅粉（勞倫斯利弗莫爾國家實驗室（LLNL）），純度 99.99%）進行蝕刻，進而制備出納米紋理銅粉。這裡主要報告的是LPW 銅粉的結果。
圖1.紋理粉末在蝕刻前後的表面形貌變化。
納米紋理表面提高了粉末吸收率
在雷射功率為175 W、1/e2光束直徑為 60 μm 的條件下進行的量熱實驗表明，與購買時的粉末相比，納米紋理粉末的吸收率有所提高。科研人員測得Cu00粉末的有效吸收率Aeff 在掃描速度為 100 mm/s 時為0.172，在掃描速度為656 mm/s 時為0.219。
圖2.紋理粉末的實驗和模拟吸收率增強。
納米紋理粉末改善了低功率下的列印效果
為了評估用于LPBF的高吸收率納米紋理粉末的可行性，科研人員列印了圓柱形結構。 科研人員将相對密度（即固體體積分數）量化為雷射掃描參數的函數，并将其合并為體積能量密度。研究表明，在高功率下（不鏽鋼的功率大于200W），雷射與粉末之間的互相作用變得不那麼重要，因為光束隻是停留在熔池頂部，而不是與粉末互相作用。科研人員的結果與這一觀察結果一緻，因為在較低能量輸入時，列印品質的改善最為顯著。
圖 3.列印體積的相對密度和XCT密度變化。
在所探索的列印條件中，科研人員觀察到使用Cu10粉末列印品質的改善幅度最大，這可以通過相對密度測量來量化。這種改善在低能量密度下最為明顯，因為在低能量密度下，粉末的表面結構預計會在光物質互相作用中發揮更大的作用。不過，吸收率測量結果表明，Cu05 的吸收率高于Cu10。除了吸收率之外，列印品質還受到其他因素的影響。Cu05較高的吸收率可能會導緻反沖壓力引起的粉末從雷射路徑中排出。這可能會導緻更多的剝蝕或飛濺，并可能表現為此處觀察到的融合缺失缺陷。
盡管目前在了解基本粉末動力學方面存在這些限制，但科研人員通過在100W功率和300 mm/s掃描速度下列印包括50 mm 長三重周期性極小表面在内的結構（圖4），證明了高吸收粉末的實用性。納米紋理粉末可将列印銅所需的能量密度降低到與列印不鏽鋼和钛合金相似的水準。
圖4.使用紋理粉末對銅和示例結構進行低能量密度列印。
科研人員證明了金屬粉末原料的吸收率可以通過蝕刻溶液中自演變的表面紋理來提高，而無需合金化或使用高吸收納米顆粒添加劑。将吸收率的提高歸因于入射光在粉末表面納米級凹槽處的定位，凹槽尺寸小于或相當于雷射波長會導緻共振。高吸收率粉末可以在低能量密度（83 J/mm3）下開始列印。在這些列印條件下列印出相對密度（≥0.92）的銅（之前還未報道過）。這裡開發的粉末可用于中等功率（~400 W）的商用LPBF系統的列印。這些結構不完美的粉末偏離了建立粉末原料時所追求的理想化、光滑球體形态，但卻提高了制造過程中的光熱效率和列印品質。該研究的通用方法利用原料表面的缺陷來改善雷射與材料之間的互相依存關系，而無需修改雷射器或材料成分。
論文連結：
High absorptivity nanotextured powders for additive manufacturing
SCIENCE ADVANCES 4 Sep 2024 Vol 10, Issue 36
DOI: 10.1126/sciadv.adp0003
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