点击蓝字
关注我们
金属增材制造（AM）技术在医疗、航空航天、汽车及能源产业中展现出广泛应用的潜能。然而，对于高反射性和高熔点金属的自由形态打印，仍面临由粉末材料光学热性能局限所带来的挑战。特别是在近红外频谱范围内，铜、银及其共晶合金展现的低吸收率（即高反射性）与高热导率，增加了激光扫描沉积过程中局部温度精准控制的难度。激光粉末床熔融（LPBF）工艺中，难熔金属经历很大的温度梯度，可能导致固化后残余应力积累及裂纹形成。因此，深入研究粉末原料与激光的相互作用机理，以提升材料吸收效率，对于拓宽可打印材料范畴至高反射性和难熔金属（如铜、银、钨）至关重要。这不仅涉及运用高功率激光系统增强能量输入，还包括向金属粉末中掺入纳米颗粒作为增强吸收的可行策略。已有研究成功利用纳米材料组装的铜粉直接打印高纯度铜及铜合金，揭示出相较于未经处理的铜粉，铜粉室温下的吸光率显著提升至约60%。然而，即便在低至0.1%的添加比例下，添加剂界面处仍易形成裂纹。另外，将石墨烯纳米片按类似比例掺入铜粉中，亦能有效增进打印件的光吸收能力和致密度。此外，通过化学蚀刻去除废粉表面氧化层，可恢复类似新粉的吸收性能，尽管此类方法主要着眼于通过消除氧化物来延长粉末使用寿命。
鉴于此，宾夕法尼亚大学的研究团队创新性地开发了一种表面改性工艺，旨在不经合金化或添加辅助材料，单独提升金属粉末的吸光性能，特别是针对高反射性和难熔金属。借助湿法化学蚀刻技术，粉末表面被赋予纳米级别的结构特征，显著提高了材料对激光能量的吸收。通过原位量热分析、单颗粒尺度上的电磁场模拟及粉末床的扫描轨迹追踪模拟，团队验证了由于表面纳米结构导致局部吸收增强，从而吸收率获得提升。尽管打印件的整体质量受多重因素影响，实验结果表明，经此表面改性处理的粉末能够在功率较低（100W至500W）的激光金属3D打印系统中，成功制备出高纯度铜和钨的结构元件。该研究提出的方法，不仅降低了对激光功率的需求，还为打印高反射性和难熔纯金属提供了新途径，其能耗水平与商业化合金材料相当。
相关研究成果以题为“High absorptivity nanotextured powders for additive manufacturing”的论文发表在《Science Advances》上。
图1. 蚀刻前后纳米结构粉末的表面形貌变化。
图2. 纳米结构粉末吸光率增强的实验及模拟示意图。
图3. 打印过程中相对密度和XCT密度的变化。
图4. 使用纳米结构粉末对铜和典型结构进行低能量密度打印。
-编辑：王云飞-
-审核：丁孝禹-
-终审：王梁-
20
24
浙江工业大学
激光先进制造研究院
