導(dǎo)言

鋁合金因其密度低、導(dǎo)熱性高、加工性能好、機(jī)械性能優(yōu)異的優(yōu)點(diǎn)，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(diǎn)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(jìn)一步應(yīng)用，比如氣缸、內(nèi)燃機(jī)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(lái)實(shí)現(xiàn)鋁合金的表面改性，比如通過(guò)在鋁合金基體上熔覆鎳基、銅基、鐵基合金來(lái)獲得更好的耐磨性和高溫性能。

在鋁合金基體上熔覆鎳基和鐵基材料可以顯著提高產(chǎn)品的表面硬度和耐磨性，但鎳基和鐵基合金的導(dǎo)熱性非常差，這種產(chǎn)品并不適合內(nèi)燃機(jī)和活塞等高散熱要求的應(yīng)用，因?yàn)榉e累的熱量會(huì)導(dǎo)致鋁合金基體變形或熔化。

銅合金具有高導(dǎo)熱性和自潤(rùn)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(duì)傳統(tǒng)的1064nm波長(zhǎng)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(jìn)行熔覆時(shí)，能量輸入不夠，粉末不能完全熔化。

使用高功率進(jìn)行熔覆時(shí)，匙孔效應(yīng)又不可避免。匙孔效應(yīng)導(dǎo)致材料對(duì)激光的吸收效率劇烈波動(dòng)，激光在匙孔中的多級(jí)反射也使得飛濺現(xiàn)象更加嚴(yán)重，最終會(huì)導(dǎo)致孔隙、裂紋和未熔合等缺陷。

鋁合金和銅合金對(duì)450納米藍(lán)色激光的吸收率可分別達(dá)到～14.5%和～65%。因此，藍(lán)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(lái)，大阪大學(xué)在藍(lán)色激光處理領(lǐng)域進(jìn)行了一系列開拓性研究。

2018年，Tsukamoto教授團(tuán)隊(duì)通過(guò)調(diào)整光學(xué)組件將六臺(tái)單功率為20瓦的藍(lán)色激光器發(fā)出的光束聚焦于一點(diǎn)，成功地將銅合金熔覆在不銹鋼表面，但由于激光功率還是處于較低的水平，所以在熔覆層內(nèi)觀察到了一些孔隙。高功率藍(lán)光激光器成了阻礙銅合金熔覆的主要難題。

2019年，Tsukamoto教授團(tuán)隊(duì)開發(fā)了100瓦藍(lán)色激光器，用于純銅的SLM（選區(qū)激光熔化）增材制造。生產(chǎn)了致密度約97.8%的純銅管。為了提高增材制造產(chǎn)品的質(zhì)量，需要進(jìn)一步提高藍(lán)色激光器的功率。

2020年，Tsukamoto教授團(tuán)隊(duì)將兩臺(tái)100瓦藍(lán)色激光器的光束匯聚到一處，成功獲得了無(wú)明顯孔隙和裂紋的純銅熔覆層。然而，覆層的寬度只有620微米，覆層效率低。

德國(guó)在這方面的進(jìn)展

2019年，德國(guó)激光器廠商Laserline的Simon等人通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明，1000瓦的藍(lán)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。

1-2

美國(guó)在這方面的發(fā)展

2020年，美國(guó)激光器廠商N(yùn)UBURU Incorporated的Zediker等人使用1000瓦的藍(lán)色激光器，將光斑直徑降低到215微米，實(shí)現(xiàn)了純銅和1100鋁合金的熔化，并發(fā)現(xiàn)銅和鋁的熔化深度相似。然而，小光斑（215微米）極大的限制了激光熔覆的效率。

總之，短波長(zhǎng)藍(lán)色激光器在加工銅和鋁等高反射率材料方面具有巨大優(yōu)勢(shì)。然而，低功率和小光斑限制了其在激光熔覆領(lǐng)域的進(jìn)一步應(yīng)用。

1-3

中國(guó)在這方面的發(fā)展

紅-藍(lán)混合激光可以克服藍(lán)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(wèn)題，有望實(shí)現(xiàn)高反射率材料的高效熔覆或SLM增材制造。實(shí)際上，德國(guó)激光器廠商Laserline的Simon等人，在紅-藍(lán)混合激光熔覆純銅方面做過(guò)一些研究，但缺乏相關(guān)的微觀結(jié)構(gòu)和缺陷分析。

我國(guó)的上海交通大學(xué)在這個(gè)基礎(chǔ)之上，系統(tǒng)的研究了藍(lán)光、紅光和紅-藍(lán)混合激光在鋁基材上熔覆純銅時(shí)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(jī)理。為紅-藍(lán)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)。

1-4

本期實(shí)驗(yàn)工作參與單位

中國(guó)上海交通大學(xué)金屬基復(fù)合材料國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

中國(guó)上海交通大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院

中國(guó)淮北上海交通大學(xué)（安徽）校友材料研究所

深圳市聯(lián)贏激光股份有限公司

1-5

本文亮點(diǎn)

（1）用同軸紅-藍(lán)混合激光器在AlSi7Mg合金基板上熔覆純銅，并比較三種光源（紅外、藍(lán)色及其混合源）的熔池穩(wěn)定性、熔池尺寸和微觀結(jié)構(gòu)。

（2）高反金屬對(duì)紅外激光的吸收率低，所以加工時(shí)需要較高的功率，但高功率的激光會(huì)導(dǎo)致熔池穩(wěn)定性較差。藍(lán)光激光的波長(zhǎng)較短，高反金屬對(duì)其的吸收率高，但藍(lán)色激光器的功率較低，導(dǎo)致零件的致密度較差。通過(guò)將高功率紅外激光和低功率藍(lán)色激光復(fù)合，可以有效解決以上兩個(gè)問(wèn)題。

（3）混合激光熔覆過(guò)程中的熱積累更加明顯，冷卻速度較慢（1.36×10^4 K/s），導(dǎo)致微結(jié)構(gòu)更粗大。因此，在鋁基材上覆純銅時(shí)，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大幅提高和吸收率波動(dòng)的降低密切相關(guān)。

02

材料和方法

（1）熔覆實(shí)驗(yàn)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(lán)光混合激光器上進(jìn)行的，它由一個(gè)連續(xù)的3000W（1064nm）紅外激光器、一個(gè)1000W（450nm）藍(lán)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(lán)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(guò)光束整形技術(shù)獲得。

（4）兩個(gè)激光束的軸線在空間上重疊。

（5）在實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)都是在氬氣的保護(hù)下進(jìn)行的。氬氣的流量為15升/分鐘。（10）在熔覆過(guò)程中，使用了一臺(tái)Revealer? X113 CMOS高速攝像機(jī)來(lái)觀察熔池，其采樣頻率為6800 fps（幀/秒）。

03

結(jié)果和討論

3-1

熔池的形態(tài)

（1）紅外激光功率為200瓦：由于純銅和AlSi7Mg合金的高導(dǎo)熱性和高激光反射率，使得能量吸收不足，熔覆道的熔深非常淺。在隨后的運(yùn)輸過(guò)程中，熔覆甚至從基板上掉了下來(lái)。

（2）隨著紅外激光功率的增加，單道變得連續(xù)、均勻。在1000瓦的紅外激光功率下，獲得了良好的銅/鋁熔覆單道，沒有缺陷。

（3）當(dāng)紅外激光功率進(jìn)一步增加到1800瓦以上時(shí)，單道會(huì)出現(xiàn)直徑為200微米的明顯孔洞。

（4）小結(jié)論：紅外激光器的能量密度過(guò)高或過(guò)低不適合在AlSi7Mg襯底上覆純銅合金。雖然可以在1000瓦時(shí)獲得無(wú)缺陷熔覆單道，但低激光功率限制了沉積效率。

（1）由于銅和鋁對(duì)450nm激光的吸收率較高，所以藍(lán)色激光器將提高熔覆質(zhì)量和效率，這是理論邏輯的推斷。然而，藍(lán)光激光功率較?。?lt;1000 W）、光斑較大（1.75毫米），實(shí)際實(shí)驗(yàn)中并沒有獲得期望的冶金結(jié)合。

（2）AlSi7Mg基板上純銅單道的球化現(xiàn)象很明顯，表明藍(lán)色激光器的能量輸入嚴(yán)重不足。

（1）為了補(bǔ)償大功率紅外激光器和低功率藍(lán)色激光器的形成不穩(wěn)定性，使用同軸紅外-藍(lán)色混合光源將銅合金熔覆到鋁基板上。

（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(lán)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。

（3）混合光源下的樣品的微觀結(jié)構(gòu)尺寸大于純紅外激光器下的樣品，這可能是由于凝固過(guò)程中冷卻率較低導(dǎo)致。

3-3

動(dòng)態(tài)熔池

，時(shí)長(zhǎng)

00:15

在紅外激光熔覆過(guò)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(dòng)，這些凹陷會(huì)閉合并演變成空腔，惡化樣品的力學(xué)性能。

，時(shí)長(zhǎng)

00:17

在純藍(lán)色激光工藝下，激光器向前平穩(wěn)移動(dòng)，沒有任何粉末飛濺，這意味著藍(lán)色激光有助于增強(qiáng)熔池的穩(wěn)定性。然而，藍(lán)色激光器的光斑直徑大、能量密度低，導(dǎo)致激光能量分散。因此，熔池的突出和凹陷區(qū)是顯而易見的（即，未實(shí)現(xiàn)深熔焊）。

，時(shí)長(zhǎng)

00:22

當(dāng)使用同軸紅外-藍(lán)色混合激光器時(shí)，熔池周圍的顆粒飛濺大大減少，熔池的球化現(xiàn)象消失。

04

三種激光源的形成機(jī)制

（1）當(dāng)使用紅外激光器時(shí)，在高功率密度條件下會(huì)產(chǎn)生一個(gè)鑰匙孔。鑰匙孔的內(nèi)壁通過(guò)多次反射和吸收顯著提高了激光的總吸收率。

（2）大功率密度激光誘導(dǎo)的等離子體和金屬蒸汽可能會(huì)吸收和散射入射激光，從而大幅降低激光的利用率。由于等離子體和蒸汽的多重反射過(guò)程非常不穩(wěn)定，激光總吸收率可能會(huì)在>5%的范圍內(nèi)大幅波動(dòng)。如此大的吸收率波動(dòng)和能量波動(dòng)使熔池中的熔化和凝固過(guò)程極其不穩(wěn)定，很容易形成氣孔缺陷。

（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(dāng)靠近熔池時(shí)，這些顆粒被吸到熔池的頂部，與基體分離，形成液滴飛濺。這兩種飛濺再相互碰撞和熔合，形成大飛濺。

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

（1）藍(lán)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(dòng)。

（2）與紅外激光器相比，藍(lán)色激光器下的等離子體溫度較低，電離度更低，這大大減少了入射激光器的吸收和散射。

（3）總之，提高激光吸收率和降低能程（減少散射）非常有利于提高高反射材料熔覆單道的穩(wěn)定性，藍(lán)色激光熔覆過(guò)程的孔洞和飛濺更少。

（4）不幸的是，藍(lán)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。

（1）使用混合激光器時(shí)，銅對(duì)藍(lán)色激光的高吸收率導(dǎo)致合金迅速熔化并形成凹陷區(qū)，通過(guò)凹陷區(qū)域的反射明顯提高了紅外激光器的吸收率。高能密度紅外激光器的加入可以快速將凹陷區(qū)轉(zhuǎn)變?yōu)樯钊酆竻^(qū)。在這個(gè)深層鑰匙孔中紅外激光器的多次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(yuǎn)高于65%（藍(lán)光的理論吸收率）。

（2）與純紅外激光器相比，混合激光誘導(dǎo)的等離子體和金屬蒸汽更均勻，因?yàn)槲章实淖兓^小。如此小的吸收率波動(dòng)更有利于熔池的穩(wěn)定性，減少熔覆過(guò)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覆過(guò)程中的熱積累更加明顯，凝固速度更慢，熔池尺寸更大。緩慢的冷卻速度也使熔池中的氣體溢出更容易，從而獲得無(wú)缺陷的樣品。

（4）總之，混合激光器在鋁基板上熔覆純銅時(shí)有高穩(wěn)定性、缺陷更少和更大的熔池尺寸等優(yōu)點(diǎn)。

5

AMLetters評(píng)論

（1）這項(xiàng)工作證實(shí)了紅外-藍(lán)色混合激光器在熔覆高反射率材料（如銅、金、鋁等）方面的潛力，混合激光器可以擴(kuò)展到其他應(yīng)用，如SLM。

（2）據(jù)說(shuō)通快的碟片式綠光激光器價(jià)格不菲，深圳聯(lián)贏激光的混合激光器的價(jià)格未知，但確實(shí)讓AMLetters看到了SLM領(lǐng)域使用國(guó)產(chǎn)激光器突破高反材料成形難題的希望。

（3）引領(lǐng)全球增材制造技術(shù)的德國(guó)弗勞恩霍夫?qū)嶒?yàn)室（Fraunhofer）的官網(wǎng)有這么一張圖，描述的是增材制造技術(shù)未來(lái)的發(fā)展脈絡(luò)及我們目前所處的階段。無(wú)疑，增材制造技術(shù)已經(jīng)來(lái)到了簡(jiǎn)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(diǎn)，SLM等技術(shù)本身帶來(lái)的商業(yè)價(jià)值還會(huì)進(jìn)一步爆發(fā)，但我們也要意識(shí)到，這些技術(shù)很快會(huì)達(dá)到瓶頸。光束整形（激光束整形：SLM的未來(lái)）、面曝光（區(qū)域打印 或?qū)㈩嵏睸LM）、綠光、藍(lán)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(jī)。這個(gè)行業(yè)和這個(gè)世界一樣，發(fā)展的太快了。不學(xué)習(xí)進(jìn)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。

06

作者信息

參考文獻(xiàn)：

Stable cladding of high reflectivity pure copper on the aluminum alloy substrate by an infrared-blue hybrid laser