长三角G60激光联盟导读
据悉，宾夕法尼亚大学、斯坦福大学、劳伦斯利弗莫尔国家实验室（LLNL）的研究人员报道了用于金属3D打印的高吸收率纳米纹理粉末的最新研究。相关论文以“High absorptivity nanotextured powders for additive manufacturing”为题发表在《Science Advances》上。
金属增材制造（AM）在医疗保健、航空航天、汽车和能源行业具有广泛的应用潜力。迄今为止，金属增材制造的应用还受限于一小部分无需大量后处理即可稳定打印的可焊接材料，如不锈钢、AlSi10Mg、一些镍超合金和钛合金。商用激光粉末床熔融（LPBF）系统可轻松打印这些材料，该系统通常使用近红外（波长为1060至1080纳米）激光在金属粉末层上扫描，以诱导熔化并熔合粉末。逐层重复这一过程，便可获得净形三维（3D）打印结构。然而，由于粉末原料的光热特性，难以焊接的高反射率和难熔金属的自由形态打印一直受到限制。
在研究中，科研人员开发的蚀刻工艺，用于生产改性金属粉末原料，特别是用于提高吸收率。在金属粉末表面引入纳米级凹槽，从而在激光粉末床熔融过程中将粉末吸收率提高多达70%。利用湿化学蚀刻技术对传统金属粉末的表面进行改性，以产生纳米级的表面特征。科研人员利用原位量热实验、单个粉末颗粒表面的电磁（EM）模拟以及粉末床的光线跟踪模拟，证明了由于粉末纳米级特征上的局部吸收增加，从而提高了吸收率。
虽然打印部件的质量受到吸收率以外的许多因素的影响，但科研人员证明，这些表面改性粉末可以使用较低功率（100到500W）的激光金属3D打印系统打印出高纯度的铜和钨金属结构。铜、铜银和钨吸收率的提高实现了高能效制造，用低至每立方毫米83焦耳的激光能量密度打印出相对密度高达92%的纯铜。这里开发的方法可以打印难以焊接的高反射率和难熔纯金属，而所需能量与商业打印合金相同。模拟结果表明，纳米级凹槽中的等离子体共振光聚集与多重散射效应相结合，增强了粉末总吸收率。本文所采用的方法展示了一种通用方法，可在不改变原料成分的情况下，通过改变原料的表面形态来增强反射性和难熔金属粉末的吸收性和可打印性。
蚀刻产生纳米级表面结构
科研人员通过批量溶液工艺制备了纳米纹理铜粉、铜银粉和钨粉。科研人员使用FeCl3、盐酸和乙醇溶液对购买的铜粉（LPW 科技有限公司，纯度 99.95%）和自制的铜粉（劳伦斯利弗莫尔国家实验室（LLNL）），纯度 99.99%）进行蚀刻，从而制备出纳米纹理铜粉。这里主要报告的是LPW 铜粉的结果。
图1.纹理粉末在蚀刻前后的表面形貌变化。
纳米纹理表面提高了粉末吸收率
在激光功率为175 W、1/e2光束直径为 60 μm 的条件下进行的量热实验表明，与购买时的粉末相比，纳米纹理粉末的吸收率有所提高。科研人员测得Cu00粉末的有效吸收率Aeff 在扫描速度为 100 mm/s 时为0.172，在扫描速度为656 mm/s 时为0.219。
图2.纹理粉末的实验和模拟吸收率增强。
纳米纹理粉末改善了低功率下的打印效果
为了评估用于LPBF的高吸收率纳米纹理粉末的可行性，科研人员打印了圆柱形结构。 科研人员将相对密度（即固体体积分数）量化为激光扫描参数的函数，并将其合并为体积能量密度。研究表明，在高功率下（不锈钢的功率大于200W），激光与粉末之间的相互作用变得不那么重要，因为光束只是停留在熔池顶部，而不是与粉末相互作用。科研人员的结果与这一观察结果一致，因为在较低能量输入时，打印质量的改善最为显著。
图 3.打印体积的相对密度和XCT密度变化。
在所探索的打印条件中，科研人员观察到使用Cu10粉末打印质量的改善幅度最大，这可以通过相对密度测量来量化。这种改善在低能量密度下最为明显，因为在低能量密度下，粉末的表面结构预计会在光物质相互作用中发挥更大的作用。不过，吸收率测量结果表明，Cu05 的吸收率高于Cu10。除了吸收率之外，打印质量还受到其他因素的影响。Cu05较高的吸收率可能会导致反冲压力引起的粉末从激光路径中排出。这可能会导致更多的剥蚀或飞溅，并可能表现为此处观察到的融合缺失缺陷。
尽管目前在了解基本粉末动力学方面存在这些限制，但科研人员通过在100W功率和300 mm/s扫描速度下打印包括50 mm 长三重周期性极小表面在内的结构（图4），证明了高吸收粉末的实用性。纳米纹理粉末可将打印铜所需的能量密度降低到与打印不锈钢和钛合金相似的水平。
图4.使用纹理粉末对铜和示例结构进行低能量密度打印。
科研人员证明了金属粉末原料的吸收率可以通过蚀刻溶液中自演变的表面纹理来提高，而无需合金化或使用高吸收纳米颗粒添加剂。将吸收率的提高归因于入射光在粉末表面纳米级凹槽处的定位，凹槽尺寸小于或相当于激光波长会导致共振。高吸收率粉末可以在低能量密度（83 J/mm3）下开始打印。在这些打印条件下打印出相对密度（≥0.92）的铜（之前还未报道过）。这里开发的粉末可用于中等功率（~400 W）的商用LPBF系统的打印。这些结构不完美的粉末偏离了创建粉末原料时所追求的理想化、光滑球体形态，但却提高了制造过程中的光热效率和打印质量。该研究的通用方法利用原料表面的缺陷来改善激光与材料之间的相互依存关系，而无需修改激光器或材料成分。
论文链接：
High absorptivity nanotextured powders for additive manufacturing
SCIENCE ADVANCES 4 Sep 2024 Vol 10, Issue 36
DOI: 10.1126/sciadv.adp0003
长三角G60激光联盟陈长军转载