激光粉末床熔融銅增材制造的潛力、挑戰及可行性方案

激光粉末床熔融銅增材制造的潛力、挑戰及可行性方案

       高導電性和導熱性使銅成為生產要求具有高傳熱能力的零部件的最佳材料。比較典型的應用如制造管殼式熱交換器，銅材料的效率通過設計得到加強，具有高傳熱系數和高湍流。然而高性能設計通常需要許多制造工藝才能實現，銅熱交換器的理論效率將被降低。

        通過增材制造實現的一體化制造，可以有效解決這類問題。但是銅增材制造仍然極具挑戰性。在本期谷.透視中，3D科學谷將對主流金屬增材制造技術之一，激光粉末床熔融（LPBF）存在的挑戰及可行性方案的探索情況進行概述。

銅的應用價值

       銅 (Cu) 作為一種韌性金屬，具有良好的耐腐蝕性、低化學反應性、非凡的機械加工性和成型性以及高導電 (60 × 106 S/m，相當于100% 國際退火銅標準 (IACS) ) 和熱導率 (400 W/mK)。

       由于這些獨特的特性，純銅在生產用于電子、散熱器、增壓空氣冷卻器和熱交換器等多種應用的設備以及電子封裝、汽車和建筑行業等各種工業領域的設備方面受到了廣泛關注。此外，銅經常用作不同合金材料的基材，例如黃銅和青銅，其中分別將鋅和錫合金化。

       材料性能效率通常通過特定的零部件設計來提高。銅的典型制造工藝，例如粉末冶金 (PM) 和傳統工藝（例如鍛造、機加工、擠壓和鑄造），可以生產簡單的幾何形狀。但是難以生產復雜部件或翅片式熱交換器和散熱器，或者在制造時需要焊接等其他工藝來實現。

        相對而言，增材制造工藝對于這種情況而言就更具優勢。因為增材制造能夠實現大量薄翅片或具有特定幾何形狀的復雜流道，這些幾何形狀增加了交換面積和湍流 。此外，增材制造的整體式熱交換器和散熱器將更好地抵抗液體壓力和泄漏。這些可行性為制造性能緊湊型銅熱交換設備創造了條件。

應用潛力--先進熱管理

        不過，即使是在優勢明顯的情況下，純銅和銅合金的增材制造應用仍存在一些挑戰，包括以下幾點：

1）由于銅及其合金的高電導率和熱導率增加了從熔池到周圍區域的熱傳遞率，并產生高熱梯度和不利后果。

2）對于激光增材制造來說，高激光反射率是另一個最重要的問題。

3）快速傳熱和高反射率都阻礙了激光功率的吸收，導致高孔隙率和較差的機械、熱和電性能。此外，銅的延展性會對粉末去除和回收后產生負面影響 ，可能是因為在此階段構建的銅片很容易變形。

4）銅對氧化的高敏感性使粉末處理變得復雜。

LPBF 銅增材制造

       LPBF工藝是加工金屬部件最常用的增材制造技術，因為它可以生產極薄和復雜的細節。然而，適用于 LPBF 工藝的金屬材料必須滿足三個基本要求：低熱導率， 高激光吸收，以及含有高沸點元素 。這些材料特性確保了穩定的熔池，使得材料易于加工。

正是因為如此，銅金屬成為了一種難以用LPBF加工的材料。銅的高導熱性促進了從熔池區域到周圍的快速熱傳遞，導致局部熱梯度增加。因此，層卷曲和分層是常見的缺陷。然而，銅增材制造可加工性的最大挑戰與它的激光吸收有關。

       LPBF 3D打印純銅零件的常見缺陷：（a）球化效應和（b）由于熔池和凝固層之間的潤濕行為不足導致的微球化效應；(c) 當大熔池不能徹底潤濕底層時邊緣升高，這種效果疊加在幾個打印層上，看起來像一個凸起的邊緣；(d) 打印層的分層，通常由熱梯度引起 ；(e) 因暴露于激光背反射 12 小時而導致光學振鏡損壞的示例。

       那么，怎樣克服LPBF 工藝銅增材制造的挑戰呢？接下來，我們從設備及工藝方案和材料方案兩個角度進行了解。

設備及工藝方案

       根據3D科學谷的市場研究，通過實驗設計優化工藝參數是常見的方式。LPBF增材制造工藝優化中最常用的工藝參數是激光功率 (P)、掃描速度 (υ)、層厚 (s) 和掃描間距 (h) 。

       例如，有的研究團隊采用連續光纖激光器，波長為1070 nm，最大功率為400 W，光束直徑為70 μm。采用最佳工藝參數（掃描速度400 mm/s，掃描間距0.12 mm，層厚0.03 mm），得到的相對密度可達95%。銅被打印在不銹鋼基板上，表面粗糙度平均值等于18μm。

       Copper_Study_33D打印復雜結構銅散熱器：柱狀、螺旋狀和彎管狀。

      上圖顯示了模擬散熱器的結構。3D打印銅散熱器與商用柱狀散熱器和塊狀銅對應物之間的比較表明，3D打印部件的熱導率 (368 W/mK) 和電導率 (5.71 S/m) 和硬度值 (108 MPa) 更高。

       在優化工藝參數的方式中，使用更高的激光功率進行銅增材制造是常見方式。增加激光功率輸入對銅密度產生積極影響，從而對其性能產生積極影響。例如有的研究團隊探索了使用最大功率為 500 W、光束直徑為 37.5 μm 的紅外光纖激光器銅增材制造工藝參數，得到的相對密度為99.3%。工藝參數的優化包括等于 0.03 毫米的固定層厚度和0.09 毫米的掃描間距。

       根據3D科學谷的市場研究，另一個克服粉末床激光銅增材制造挑戰的思路是調整激光波長。較大的波長會降低激光吸收率，而隨著較短的激光波長而增加。波長約為 520 nm 的綠色和藍色激光將激光吸收率提高到 40%

       Copper_Study_4在主要研究中，銅相對密度隨激光輸入功率所產生的變化（左）；純銅吸收率隨波長的變化（右）。

       出于這個原因，較短波長的激光器被認為是生產全致密銅元件的可靠解決方案。

       根據業內的市場觀察，這一思路已被工業級3D打印設備制造商所采用。例如，德國通快集團在TruPrint 1000 綠光版3D打印設備中配備了波長為515納米的綠光激光器，該設備可采用指定銅含量大于 99.9% 的高導電純銅ETP（EN CW004A）。鉑力特針對純銅增材制造，提供搭載綠激光配置的金屬增材制造定制設備。這種短波長激光的應用將提升銅零件成形的成功率及致密度，同時降低能量損失和對設備損壞的可能性。

       此外，打印平臺/基板在保持均勻的粉末床溫度和工藝穩定性方面發揮了關鍵作用。因此為銅增材制造選擇合適的基板也是其中一種應對挑戰的探索方式。

Copper_Study_5在 (a) 鋁制平臺(b) 鋼制基板上生產的 LPBF 3D打印銅樣品。

       例如，有研究團隊用相同工藝參數，分別在鋁制基板和鋼制基板上進行銅增材制造，他們使用的參數為：激光功率為 190 W，激光掃描速度為 500 mm/s。結果表明，由于高導熱性，鋁制基板將熱量從樣品迅速散發到致密平臺。因此，平臺與試件之間的附著力較差，銅樣品底部發生翹曲和變形。這種不良的附著力也導致了熔池不穩定和不均勻。溫度分布并導致形成引起變形的熱應力。另一方面，鋼基板促進了具有外翹和變形的冶金結合的形成，從而提高了工藝穩定性。

block 材料方案

       提高 LPBF 工藝銅加工性能的另一個可行性方案的探索方向是改變原材料。

       原材料改性是其中一種途徑。例如有的研究團隊將0.1 wt% 的碳納米顆粒與銅粉混合。使用碳等元素來增強激光吸收率，而不會降低熱性能和電性能，碳還降低了熱膨脹系數，可能有助于提高打印部件的尺寸精度。結果表明，在 LPBF 過程中，光吸收率提高（精確地從 29% 到 67%）、流動性和原位脫氧，制造的樣品顯示出98%的相對密度。然而，碳納米顆粒和其他雜質沿晶界分離，銅部件的機械性能和導電性可能會劣化。建議的解決方案是使用無磷銅粉和一些碳吸收元素，例如鉻或鈦。

       還有一種方式是通過在顆粒上創造一層錫和鎳涂層，來提升銅材料的激光吸收率。與成分相似的原位合金粉末相比，3D打印樣品的孔隙率較低。

       在銅粉中添加少量合金元素也是其中一種途徑。然而，即使是少量的第二元素也可能大大降低銅的導熱性和導電性。這個想法是添加一種或多種導熱率較低的元素。在這些元素中，鉻是最常用的元素之一，因為它提高了銅的機械強度。鉻的存在提高了可加工性，并允許獲得具有提高的拉伸強度的高密度組件。例如，有的研究成功實現了具有高強度和高導電性的 Cu-Cr LPBF工藝3D 打印組件。當使用一組優化的參數（激光功率為 2000 W，掃描速度為 600 mm/s，掃描間距為 0.2 mm，層厚為 0.05 mm）進行處理時，樣品的最終密度為 99.98%。成型后對零件進行熱處理，使Cr顆粒從Cu基體中析出，大大提高了UTS（468 MPa）、YS（377 MPa）和電導率，達到98.31% IACS。

      根據3D科學谷的市場觀察，通過材料來實現純銅粉末床激光熔化增材制造的技術已進入到商業化階段。例如，德怡科技（Infinite Flex ）近日將其可用于標準紅外激光 LPBF 3D打印設備的純銅粉末材料 Cu 01 推出市場。

Copper_Part3D打印純銅熱交換器樣件

       對3D打印零件進行直接時效硬化 (DAH)，也是提升銅LPBF增材制造可行性的方式。這種熱處理的應用產生了細小的 Cr 析出物，增加了硬度和 UTS（從 287 到 466 MPa），而延展性略有下降。有的研究團隊，增材制造了密度接近 97.9% 的 Cu-Cr-Zr-Ti 銅合金樣件，并對樣件進行固溶退火和時效處理，導致了細長晶粒擴大。這些熱處理通常用于提高強度。固溶退火用于使合金元素固溶在銅基體中，而隨后的時效處理旨在形成進一步強化的析出物。

       銅金屬3D打印增材制造工藝呈現出多樣化發展。除了本期介紹的LPBF 工藝之外，粉末床電子束熔化、粘結劑噴射、材料擠出等幾種增材制造工藝也在銅金屬增材制造領域得到了發展。3D科學谷將在后續發布的谷.前沿文章中，透視這些技術在銅增材制造中的挑戰及可行性方案。

        知之既深，行之則遠，3D科學谷為業界提供全球視角的增材與智能制造深度觀察，有關3D打印在細分應用領域的更多分析，請前往3D科學谷發布的《銅金屬3D打印白皮書第二版》。

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