美国研发新型湿法蚀刻技术，可生产改性高吸收率AM金属粉末

文摘 2024-10-19 09:01 江苏

在增材制造过程中，传统金属粉末由于高反射率而致使能量吸收效率低下，这对制造质量和能耗形成了制约。近日，美国劳伦斯利弗莫尔国家实验室（LLNL）、斯坦福大学与宾夕法尼亚大学等研究人员在Science Advances上联合发表研究，展示了一项可生产改性金属粉末原料的创新湿化学蚀刻技术，有效解决了激光粉末床熔融（PBF-LB）工艺的高反射率难题。这一技术通过纳米级表面纹理的创新，显著提高了金属粉末的能量吸收率，为铜、钨等高反射材料的增材制造带来了重要突破。

一

湿化学蚀刻技术

产生纳米级表面结构

为了更好地了解纳米纹理如何增强单个粉末颗粒的吸收率，研究团队对纳米纹理平面上的光吸收进行了电磁波模拟。表面轮廓是从重建的Cu粉末颗粒断层扫描图的横截面中提取出来的。结果显示，蚀刻粉末的总吸收率更高，这是由于纹理Cu表面上的光与物质相互作用增强所致。

二

纳米纹理粉末在低功率下

展现更佳增材效果

为了评估高吸收率纳米纹理粉末用于PBF-LB的可行性，研究团队打印了圆柱形结构。断层扫描结果显示，在低功率下，与购买的粉末相比，纳米纹理粉末的相对密度随构建高度的变化可能更大。这表明，在较低功率下，与购买的粉末相比，这些吸收率较高的纳米纹理粉末可能存在不同的激光-粉末相互作用以及熔体和粉末动力学。在400 W的高功率下，这些差异不太重要。

在LLNL与MIRILIS实验室的定制PBF-LB系统中，研究团队优化工艺，成功进行批量与复杂样品的增材制造，证实了该项技术的有效性。

三

低能耗应用前景

此外，该团队还有另一项重要发现——可以使用较低的能量输入制造高纯度铜和钨结构，铜的能量输入为87 J/mm³，这大约是高密度钛合金和不锈钢合金的范围；钨的能量输入为725 J/mm³，比通常使用的能量少约1/3，有效降低了生产成本与环保压力。新技术的普及将推动工业界更广泛利用铜材料，助力清洁能源与脱碳技术开发。

本文通过在金属粉末表面形成纳米级凹槽和纹理，在PBF-LB过程中将粉末吸收率提高高达70%。铜、铜银和钨的吸收率增强可实现节能制造，使用低至83 J/mm³的激光能量密度，可以打印相对密度高达92%的纯铜。综上所述，湿化学蚀刻工艺不仅显著提升金属粉末吸收率，也验证了其在提高能量效率和材料性能方面的潜力，为高反射材料的增材制造开辟了新路径。

未来，团队将继续探索纳米纹理对不同材料混合的影响，特别是熔点差异显著的材料，以拓展增材制造的应用边界。

论文：

[1] https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adp0003

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