上交大+聯(lián)贏激光紅藍混合激光器解決高反材料成形難題

導言

鋁合金因其密度低、導熱性高、加工性能好、機械性能優(yōu)異而廣泛應用于航空航天和汽車領域。然而，鋁合金的低熔點和較差的耐磨性限制了其在高耐磨性和高溫條件下的進一步應用，如氣缸、內燃機凸輪、活塞、閥座等產品不能由單一鋁合金制成。目前，許多人正在嘗試使用激光熔化工藝來實現(xiàn)鋁合金的表面改性，如鎳基、銅基和鐵基合金，以獲得更好的耐磨性和高溫性能。

鎳基和鐵基材料可以顯著提高產品的表面硬度和耐磨性，但鎳基和鐵基合金的導熱性很差，不適合內燃機、活塞等高散熱要求，因為積累的熱量會導致鋁合金基材的變形或熔化。

銅合金具有高導熱性和自潤滑性，有利于提高鋁合金表面的耐高溫性和耐磨性，同時保證導熱性。因此，銅合金是鋁合金表面熔化的首選。

然而，傳統(tǒng)的10種鋁合金和銅合金 nm紅外激光波長的吸收率很低，只有～7%和～5%。

低功率熔化時，能量輸入不足，粉末不能完全熔化。

當使用高功率熔化時，勺孔效應是不可避免的。勺孔效應導致材料對激光的吸收效率劇烈波動，勺孔內激光的多級反射也使飛濺現(xiàn)象更加嚴重，較終導致孔隙、裂紋和未熔化缺陷。

鋁合金和銅合金對450納米藍色激光的吸收率可分別達到～14.5%和～65%。因此，藍光激光器的發(fā)展有望克服高反射率合金熔覆的困難。

1-1

日本在這方面的發(fā)展

近年來，大阪大學在藍色激光處理領域進行了一系列開拓性研究。

2018年，Tsukamoto通過調整光學組件，教授團隊聚焦了6個單功率為20瓦的藍色激光器發(fā)出的光束，成功地將銅合金熔化在不銹鋼表面。然而，由于激光功率仍處于較低水平，在熔化層中觀察到一些孔隙。高功率藍光激光器已成為阻礙銅合金熔化的主要問題。

2019年，Tsukamoto教授團隊為純銅開發(fā)了100瓦藍色激光器SLM(選區(qū)激光熔化)添加劑制造。生產密度約97.8%的純銅管。為了提高添加劑制造產品的質量，需要進一步提高藍色激光器的功率。

2020年，Tsukamoto教授團隊將兩個100瓦藍色激光器的光束聚集在一起，成功獲得了無明顯孔隙和裂紋的純銅熔化層。然而，涂層寬度僅為620微米，涂層效率較低。

德國在這方面的進步

2019年，德國激光制造商Laserline的Simon實驗證明，1000瓦的藍色激光直徑為2mm純銅合金在銅基板上仍不能熔化。

1-2

美國在這方面的發(fā)展

2020年，美國激光制造商NUBURU Incorporated的Zediker使用1000瓦的藍色激光器將斑點直徑降低到215微米，實現(xiàn)純銅和1100鋁合金的熔化，發(fā)現(xiàn)銅和鋁的熔化深度相似。然而，小斑點（215微米）極大地限制了激光熔化的效率。

簡而言之，短波長藍色激光器在加工銅、鋁等高反射材料方面具有巨大的優(yōu)勢。然而，低功率和小光點限制了其在激光熔化領域的進一步應用。

1-3

中國在這方面的發(fā)展

紅藍混合激光可以克服藍激光器的低功率密度和大功率紅外激光的不穩(wěn)定性，有望實現(xiàn)高反射材料的高效熔化或SLM添加劑制造。事實上，德國激光器制造商Laserline的Simon在紅藍混合激光熔覆純銅方面做了一些研究，但缺乏相關的微結構和缺陷分析。

在此基礎上，中國上海交通大學系統(tǒng)研究了藍光、紅光、紅藍混合激光在鋁基材上熔化純銅時的熔池穩(wěn)定性、熔池尺寸和熔化層的微觀結構。討論了不同激光的成型機制。為紅藍混合激光在高反射材料（如銅、金、鋁等）的制造和應用奠定了理論基礎。

1-4

本實驗參與單位

國家上海交通大學金屬基復合材料重點實驗室

上海交通大學材料科學與工程學院

淮北上海交通大學(安徽)校友材料研究所

1-5

本文亮點

(1)同軸紅-藍混合激光器AlSi7Mg在合金基板上熔覆純銅，比較熔池穩(wěn)定性、熔池尺寸和三種光源(紅外、藍色及其混合源)的微觀結構。

（2）高反金屬對紅外激光的吸收率較低，因此在加工過程中需要較高的功率，但高功率激光會導致熔池穩(wěn)定性差。藍光激光波長短，高反金屬吸收率高，但藍色激光功率低，導致零件密度差。上述兩個問題可以通過高功率紅外激光和低功率藍色激光的結合有效地解決。

(3)混合激光熔化過程中的熱積累較為明顯，冷卻速度較慢(1).36×10^4 K/s），因此，微結構更厚。因此，在鋁基材上覆蓋純銅時，混合激光形成的熔池更穩(wěn)定，熔池尺寸更大，這與高反射率合金總激光吸收率的顯著提高和吸收率波動的降低密切相關。

02

材料和方法

(1)熔覆實驗UW-B4310M高功率紅外-藍光混合激光器由連續(xù)3000W（10 nm）紅外激光器，10000W（450nm）由一套控制軟件組成的藍光激光器。

(2)紅外激光發(fā)射高斯光束，光斑大小為2.4mm。藍色激光發(fā)射平頂光束，光斑大小為1.75mm。

(3)通過光束整形技術獲得平頂光束。

(4)兩個激光束的軸在空間上重疊。

(5)實驗中，氣體霧化純銅粉的尺寸分布范圍為50至150μm，平均尺寸為120.5μm。純銅粉的氧含量控制在0.013wt%以下。

(6)使用的基材是AlSi7Mg合金，名義化學成分（wt.%）為6.85Si，0.02Fe，0.03Cu，0.28Mg，0.03Mn，0.01Zn，0.03Ti，Al（Balance）

(7)預設粉末層厚度1mm。

(8)在不同的激光源下進行單道實驗。所有樣品的掃描速度見下表。（v）60毫米/秒。

(9)所有實驗都是在氬氣的保護下進行的。氬氣流量為15升/分鐘。(10)熔化過程中使用了一個Revealer? X113 CMOS采樣頻率為6800 fps(幀/秒)。

03

結果和討論

3-1

熔池的形態(tài)

(1)紅外激光功率為200瓦:純銅和AlSi7Mg合金導熱性高，激光反射率高，能量吸收不足，熔覆道熔深很淺。在隨后的運輸過程中，熔覆甚至從基板上掉下來。

(2)隨著紅外激光功率的增加，單道變得連續(xù)均勻。銅/鋁熔覆單道在1000瓦的紅外激光功率下獲得良好，無缺陷。

(3)當紅外激光功率進一步增加到1800瓦以上時，單道會出現(xiàn)直徑200微米的明顯孔洞。

(4)總結:紅外激光器的能量密度過高或過低AlSi7Mg襯底上覆蓋著純銅合金。盡管在1000瓦時內可獲得無缺陷熔覆單道，但低激光功率限制了沉積效率。

(1)銅和鋁對4500nm激光的吸收率較高，因此藍色激光將提高熔化質量和效率，這是理論邏輯的推斷。然而，藍光激光功率較小（在5%范圍內波動較大）。如此大的吸收率波動和能量波動使熔池中的熔化和凝固過程極不穩(wěn)定，容易形成氣孔缺陷。

(3)在金屬蒸汽的作用下，熔道邊緣的粉末顆粒逐漸聚集熔化，形成飛濺。當靠近熔池時，這些顆粒被吸入熔池頂部，與基體分離，形成液滴飛濺。這兩種飛濺相互碰撞融合，形成大飛濺。

(4)總之，紅外激光器下高反射率材料之間的熔化過程非常不穩(wěn)定，容易形成氣孔和飛濺。

(1)藍激光作用下無鑰匙孔，總吸收率仍為65%，吸收率波動不大。

(2)與紅外激光器相比，藍色激光器下的等離子體溫度較低，電離度較低，大大降低了入射激光器的吸收和散射。

（3）簡而言之，提高激光吸收率和降低范圍（減少散射）非常有利于提高反射材料熔化單道的穩(wěn)定性，減少藍色激光熔化過程中的孔和飛濺。

不幸的是，藍色激光器的功率密度不足以完全熔化粉末，導致嚴重的球形現(xiàn)象。

（1）使用混合激光器時，銅對藍色激光器的高吸收率導致合金迅速熔化，形成凹陷區(qū)，紅外激光器的吸收率顯著提高。添加高能密度紅外激光器可以快速將凹陷區(qū)轉化為深熔焊區(qū)。紅外激光器在這個深鑰匙孔中的反射增加了激光的總吸收率。因此，混合光源的總能量吸收率遠高于65%(藍光的理論吸收率)。

(2)由于吸收率變化較小，混合激光誘導的等離子體和金屬蒸汽比純紅外激光器更均勻。如此小的吸收率波動更有利于熔池的穩(wěn)定性，減少熔化過程中的孔洞和飛濺。

(3)此外，混合激光器總能量利用率的增加使熔化過程中的熱積累更加明顯，凝固速度更慢，熔池尺寸更大。冷卻速度慢也使熔池內的氣體更容易溢出，從而獲得無缺陷樣品。

(4)總之，混合激光器在鋁基板上熔覆純銅具有穩(wěn)定性高、缺陷少、熔池尺寸大等優(yōu)點。

5

AMLetters評論

(1)這項工作證實了紅外-藍色混合激光器在熔化高反射率材料(如銅、金、鋁等)方面的潛力。).混合激光器可以擴展到其他應用程序，如SLM。

(2)據(jù)說快盤式綠光激光器價格昂貴，深圳聯(lián)贏激光混合激光器價格未知，但確實讓AMLetters看到了SLM國用國產激光器突破高反材料成型問題的希望。

德國弗勞恩霍夫實驗室(3)引領全球增材制造技術（Fraunhofer）官網有這樣一張圖，描述了增材制造技術未來的發(fā)展脈絡和我們目前的階段。毫無疑問，增材制造技術已經到了簡單工業(yè)應用的歷史交匯點，廣泛接受和大規(guī)模工業(yè)應用，SLM當技術本身帶來的商業(yè)價值進一步爆發(fā)時，我們也應該意識到這些技術很快就會達到瓶頸。光束整形(激光束整形:SLM未來)、面部曝光(區(qū)域打印 或將顛覆SLM）、綠光、藍光、混合光、飛行打印(飛行打印)等新技術都可能是下一次技術跳躍的機會。和世界一樣，這個行業(yè)發(fā)展得太快了。不學習進步的企業(yè)和步伐緩慢的企業(yè)較終會被歷史洪流淘汰，成為洶涌澎湃的浪花。