導(dǎo)言
鋁合金因其密度低、導(dǎo)熱性高、加工性能好、機械性能優(yōu)異的優(yōu)點，在航空航天和汽車領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。然而，鋁合金較低的熔點和較差的耐磨性限制了其在高耐磨和高溫工況領(lǐng)域的進一步應(yīng)用，比如氣缸、內(nèi)燃機的凸輪、活塞、閥座等產(chǎn)品就不能用單一的鋁合金制造。目前，許多人在嘗試使用激光熔覆工藝來實現(xiàn)鋁合金的表面改性，比如通過在鋁合金基體上熔覆鎳基、銅基、鐵基合金來獲得更好的耐磨性和高溫性能。
銅合金具有高導(dǎo)熱性和自潤滑性能，非常有利于在確保導(dǎo)熱性的前提下提高鋁合金表面的耐高溫性和耐磨性。因此，銅合金是鋁合金表面熔覆的首選材料。但是，鋁合金和銅合金對傳統(tǒng)的1064nm波長的紅外激光的吸收率極低，分別只有為～7%和～5%。
使用低功率進行熔覆時，能量輸入不夠，粉末不能完全熔化。
1-2德國在這方面的進展
2019年，德國激光器廠商Laserline的Simon等人通過實驗證明，1000瓦的藍色激光在光斑直徑為2mm的情況下，仍然不能在銅基板上熔化純銅合金。
紅-藍混合激光可以克服藍色激光器的低功率密度和大功率紅外激光的不穩(wěn)定性性問題，有望實現(xiàn)高反射率材料的高效熔覆或SLM增材制造。實際上，德國激光器廠商Laserline的Simon等人，在紅-藍混合激光熔覆純銅方面做過一些研究，但缺乏相關(guān)的微觀結(jié)構(gòu)和缺陷分析。
我國的上海交通大學(xué)在這個基礎(chǔ)之上，系統(tǒng)的研究了藍光、紅光和紅-藍混合激光在鋁基材上熔覆純銅時的熔池穩(wěn)定性、熔池尺寸和熔覆層的微觀結(jié)構(gòu)。討論了不同激光的成形機理。為紅-藍混合激光在高反射率材料（如銅、金、鋁等）的增材制造應(yīng)用研究奠定了理論基礎(chǔ)。
02、材料和方法
（1）熔覆實驗是在深圳市聯(lián)贏激光股份有限公司的UW-B4310M高功率紅外-藍光混合激光器上進行的，它由一個連續(xù)的3000W（1064nm）紅外激光器、一個1000W（450nm）藍光激光器和一套控制軟件組成。
（2）紅外激光器發(fā)射高斯光束，光斑大小為2.4mm。藍色激光器發(fā)射平頂光束，光斑大小為1.75mm。
（3）平頂光束通過光束整形技術(shù)獲得。
（4）兩個激光束的軸線在空間上重疊。
（5）在實驗中，氣體霧化純銅粉的尺寸分布范圍為50至150μm，其平均尺寸為120.5μm。純銅粉的氧含量被控制在0.013wt%以下。
（6）使用的基材是AlSi7Mg合金，名義化學(xué)成分（wt.%）為6.85Si，0.02Fe，0.03Cu，0.28Mg，0.03Mn，0.01Zn，0.03Ti，Al（Balance）
（7）預(yù)設(shè)粉末層厚度1mm。
（8）在不同的激光源下，開展單道實驗。實驗參數(shù)見下表，其中所有樣品的掃描速度（v）為60毫米/秒。
（9）所有的實驗都是在氬氣的保護下進行的。氬氣的流量為15升/分鐘。（10）在熔覆過程中，使用了一臺Revealer? X113 CMOS高速攝像機來觀察熔池，其采樣頻率為6800 fps（幀/秒）。
3-1熔池的形態(tài)
（4）小結(jié)論：紅外激光器的能量密度過高或過低不適合在AlSi7Mg襯底上覆純銅合金。雖然可以在1000瓦時獲得無缺陷熔覆單道，但低激光功率限制了沉積效率。
（2）AlSi7Mg基板上純銅單道的球化現(xiàn)象很明顯，表明藍色激光器的能量輸入嚴(yán)重不足。
（2）與紅外激光樣品相比，混合激光樣品的截面和縱截面的尺寸更大，樣品中的孔洞缺陷（20-50微米）明顯縮小。
3-2 微觀結(jié)構(gòu)
（1）隨著純紅外激光功率從200瓦增加到2600瓦，一次枝晶臂間距（PDAS）從0.71微米增加到1.43微米。
（2）在紅外-藍色混合激光源下，隨著紅外激光功率從200瓦增加到2600瓦，PDAS從1.56微米增加到2.42微米。
在紅外激光熔覆過程中，由于金屬蒸汽造成的劇烈后坐壓力，形成了明顯的飛濺、液滴和凹陷區(qū)。隨著激光向前移動，這些凹陷會閉合并演變成空腔，惡化樣品的力學(xué)性能。
當(dāng)使用同軸紅外-藍色混合激光器時，熔池周圍的顆粒飛濺大大減少，熔池的球化現(xiàn)象消失。
（1）當(dāng)使用紅外激光器時，在高功率密度條件下會產(chǎn)生一個鑰匙孔。鑰匙孔的內(nèi)壁通過多次反射和吸收顯著提高了激光的總吸收率。
（4）總之，紅外激光器下高反射率材料之間的熔覆過程非常不穩(wěn)定，很容易形成氣孔和飛濺。
（1）藍色激光的作用下沒有鑰匙孔，總吸收率仍為65%，吸收率沒有大的波動。
（4）不幸的是，藍色激光器的功率密度不足以完全熔化粉末，導(dǎo)致嚴(yán)重的球狀現(xiàn)象。
（4）總之，混合激光器在鋁基板上熔覆純銅時有高穩(wěn)定性、缺陷更少和更大的熔池尺寸等優(yōu)點。
（3）引領(lǐng)全球增材制造技術(shù)的德國弗勞恩霍夫?qū)嶒炇遥‵raunhofer）的官網(wǎng)有這么一張圖，描述的是增材制造技術(shù)未來的發(fā)展脈絡(luò)及我們目前所處的階段。無疑，增材制造技術(shù)已經(jīng)來到了簡單工業(yè)應(yīng)用到廣泛接受和大規(guī)模工業(yè)應(yīng)用的歷史交匯點，SLM等技術(shù)本身帶來的商業(yè)價值還會進一步爆發(fā)，但我們也要意識到，這些技術(shù)很快會達到瓶頸。光束整形（激光束整形：SLM的未來）、面曝光（區(qū)域打印 或?qū)㈩嵏睸LM）、綠光、藍光、混合光、飛行打印（飛行打?。┑刃滦图夹g(shù)，都有可能是引發(fā)下一次技術(shù)跳躍的契機。這個行業(yè)和這個世界一樣，發(fā)展的太快了。不學(xué)習(xí)進步的企業(yè)和步伐慢的企業(yè)，終將被歷史洪流淘汰，成為一朵曾經(jīng)澎湃的浪花。
參考文獻：
Stable cladding of high reflectivity pure copper on the aluminum alloy substrate by an infrared-blue hybrid laser轉(zhuǎn)載請注明出處。
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