研究人员证实纳米纹理改性粉末激光增材制造的高吸收率优势

2024年9月7日，南极熊获悉，来自斯坦福纳米共享设施（SNSF）和劳伦斯利弗莫尔国家实验室（LLNL）的美国研究人员证明了通过激光粉末床熔融（LPBF）制备具有纳米纹理的改性铜、银和钨等粉末的高吸收率优势。

刻蚀前后纹理粉末的表面地形变化。(A)刻蚀铜粉的三维重建图像过程，显示刻蚀后的表面地形。(B)购买的（对照）粉末（Cu00）。将粉末颗粒刻蚀1小时（Cu01）、5小时（Cu05）和10小时（Cu10）。(F至I)粉末表面的高倍率图像，显示随着刻蚀时间特征尺寸变化的逐渐粗糙特征。类似的结果显示了(J)购买的AgCu粉末和刻蚀的AgCu粉末，以及(L)购买的W粉末和刻蚀的W粉末。(N至Q)来自(J至M)的粉末表面的高倍率图像。

相关研究以题为“High absorptivity nanotextured powdersfor additive manufacturing”的论文发表在《Science Advances》期刊上，项目得到了美国国家科学基金会和美国能源部的支持。

论文链接：https://science.org/doi/10.1126/sciadv.adp0003

金属增材制造 (AM) 是一种革命性的工艺，但由于金属反射率高，打印铜、银和钨等金属具有挑战性。这些金属在激光粉末床熔合 (LPBF)过程中无法吸收足够的激光能量，导致能源使用效率低下、零件质量差和功率要求高。然而，一种使用纳米纹理金属粉末的新改性工艺可以显著提高粉末吸收率并提高增材制造效率，从而克服这些挑战。

△纹理粉末中吸收率增强的实验和模拟结果。（A）在 175 W 和 656 mm/s下进行的量热实验中代表性的时间与温度数据。数据显示，蚀刻粉末中的峰值基底温度相对于购买粉末有所增加。插图显示原位量热实验装置。（B）在 175 W 的激光功率和 100和 656 mm/s 两种速度下，购买粉末（蓝色）和蚀刻铜粉中的有效吸收率，显示在两种扫描速度下蚀刻粉末相对于购买粉末的有效吸收率有所增加。AgCu 和 W 购买粉末和蚀刻粉末显示出类似的结果。（C）用于 EM 模拟的样品颗粒横截面。（D）归一化磁场和（E）电场强度显示表面凹槽中的局部场。（F）用于射线追踪计算的代表性模拟域。射线的颜色表示每条射线的反射次数，其中入射射线的值为 0。粉末颗粒表面的红点表示吸收率增强的区域，覆盖表面积分数 ϕ = 0 处的相应值进行归一化。

铜和银等金属会反射大部分激光能量，从而减少正确熔化所需的热局部化。钨等难熔金属具有高熔点和热导率，导致冷却过程中开裂。打印这些金属的尝试通常涉及增加激光功率或添加合金元素。然而，这些方法成本高昂，会降低材料性能，并可能损坏打印设备。

什么是纳米纹理粉末？

纳米纹理粉末是经过改性的金属粉末，表面有纳米级凹槽。这些凹槽采用化学蚀刻制成，增加了表面积并增强了激光与粉末之间的相互作用。这可以显著提高激光能量吸收率，而不会改变材料的化学成分。

蚀刻工艺包括将金属粉末浸入溶液中，从而在其表面形成纳米级特征。例如，使用氯化铁(FeCl₃) 溶液蚀刻铜粉，根据蚀刻时间的不同，会产生具有不同表面粗糙度的粉末。

纳米纹理粉末的吸收率增强主要源于两个因素。一个是等离子体共振：纳米级凹槽集中光能，导致局部加热和更高的吸收率。另一个是多重散射事件：纹理表面会引起激光能量的多次反射，从而增加整体吸收率。

纳米纹理粉末在增材制造中的优势

纳米纹理粉末能够以显著较低的能量密度打印铜和钨等金属。例如，仅使用 83 J/mm³ 的能量即可以 92% 的相对密度打印纯铜，这比传统方法低得多。

在较低的激光功率下，纳米纹理粉末的吸收率增强，可提高零件质量，减少缺陷。该工艺还可最大限度地减少后处理需求，从而更具成本效益。

△使用纹理粉末进行铜和示例结构的低能量密度打印。（A）易于打印的材料，例如 SS316、Ti64和 Al 合金，可使用低能量密度（Q≤80 J/mm3）打印出全相对密度（ρ0.99）。我们展示了使用高吸收率 Cu05 将铜的加工条件推向较低能量密度的能力，相对于以前的研究。阴影区域显示数据的定性分组。（B）钨圆柱体打印件的压痕硬度与能量密度相关。纳米纹理 W 打印件的硬度约为 5 GPa，该值与其他增材制造纯 W 的测量值相似，但无需将粉末预热至 200 C（见图例）。（C 和 D）使用 Cu05 粉末在 87 J/mm3 下打印八位晶格和三重周期最小表面。 (E) 以 400 J/mm3 打印的八重奏 AgCu。 (F) 使用 W01 以 725 J/mm3 打印的八重奏 W 结构。比例尺，10 毫米。

该方法已成功应用于铜、银铜合金和钨，证明了其对各种高反射率和难熔金属的多功能性。

利用纳米纹理铜粉，研究人员以比传统方法低得多的能量水平实现了高密度部件。在 100 W和 300 mm/s 下，相对密度达到 92.6%，而无纹理粉末的相对密度为 85.6%。对于钨，纳米纹理粉末能够在较低的激光功率下成功打印，从而产生高密度部件并改善机械性能。这标志着打印难熔金属的突破。