本文探討了用于低混合電流驅動發(fā)射裝置的激光粉末床融合增材制造的GRCop-84結構的分辨率和幾何限制 。本文為第一部分。

摘要

激光粉末床融合(L-PBF)，也被稱為選擇性激光熔化TM (SLMTM)，允許增材制造低混合電流驅動(LHCD)射頻(RF)發(fā)射裝置的新材料，GRCop-84，Cr2Nb (8 at. % Cr, 4 at. % Nb)沉淀硬化合金，其結構是常規(guī)加工無法達到的。通過對分辨率和幾何限制的測試，探索了L-PBF打印GRCop-84的局限性。在垂直和水平方向上檢查印刷孔，以確定最小的冷卻通道直徑。內應力將垂直墻和隔墊的最小厚度限制在1毫米，較薄的墻在印刷過程中會翹曲。垂直表面的粗糙度最小，隨著角度的增加，上下表面的粗糙度都增加。對于支撐良好的結構，精度一般在40 μm以內。

1. 介紹

1．1. GRCop-84增材制造的動機

GRCop-84是一種鈮鉻(Cr2Nb) 8 at. %Cr, 4 at. % Nb沉淀硬化(PH)合金，采用激光粉末床熔合(L-PBF)，也被稱為選擇性激光熔化(SLMTM)，具有優(yōu)良的增材制造(AM)性能。高導熱性和與Nd:YAG的耦合性差以及1030-1080 nm波長范圍的光纖激光器，給傳統(tǒng)銅合金的AM帶來了挑戰(zhàn)，如無氧銅(C10100)、銅-鉻-鋯(CuCrZr) (C18150)、GlidCop (C15715)。由此產(chǎn)生的亞單位密度需要熱等靜壓(HIPing)來消除空洞。結果表明，14vol % Cr2Nb在低溫條件下提高了對近紅外激光的吸收，從而提高了材料的密度和表面粗糙度。GRCop-84打印密度超過>99.9%，表面粗糙度Ra=3-4 μm ;L-PBF純銅的Ra=18 ~ 30 μm，密度為95%;CuCrZr純銅的Ra=10 ~ 16 μm，密度為99.8%。最小的內部空隙在印刷GRCop-84消除印刷后的HIPing，從而簡化生產(chǎn)。

一個HIP罐的例子。

例如，將罐體裝入熱爐。罐體裝載粉末，振動以最大限度地填充粉末，在裝載到HIP爐之前抽真空，然后密封。上圖是一個典型的裝載的HIP罐。

GRCop-84被選擇用于DIII-D高場邊(HFS)低混合電流驅動(LHCD)發(fā)射裝置由于幾個優(yōu)勢性能。L-PBFAM可以實現(xiàn)傳統(tǒng)加工無法實現(xiàn)的集成射頻結構。L-PBF GRCop-84在25℃時的屈服強度為471 MPa，抗拉強度為714 MPa，高溫暴露后強度退化最小。此外，GRCop-84具有良好的導熱性能，導熱系數(shù)為260 W/m?K，電阻率低，為2.5μΩ?cm(純Cu含量為140%)。這些特性可以在高溫、高熱流環(huán)境中使用，例如聚變反應堆第一壁上的LHCD發(fā)射器。

GRCop-84需要快速凝固技術來防止Cr2Nb沉淀在銅基體中生長。使用L-PBF進行氣霧化粉末的固結，通過Orowan強化可以細化析出相的尺寸，從而獲得優(yōu)異的強度。Nd:YAG在1030 ~ 1080 nm波長范圍內具有良好的吸收性能，在不需要熱等靜壓的情況下可以制備出致密無孔洞的塊狀材料。GRCop-84的L-PBF AM由美國宇航局馬歇爾太空飛行中心、Quadrus公司（2020年5月前正式稱為聯(lián)邦宇航有限責任公司）和特殊航空航天服務開發(fā)，是我們即將推出的HFS LHCD發(fā)射器、船內波導管運行和射頻（RF）組件的關鍵使能技術，如圖1所示。

圖1 L-PBF打印的WR-187測試波導(a)、LHCD發(fā)射移相器(b)和極向功率分配器(c)在構建板上。照片由Quadrus公司提供。

在本文中，我們探索了L-PBF AM的局限性，以及在GRCop-84中打印精細幾何時可實現(xiàn)的最大分辨率。利用AM測試物品，包括細針、垂直和無支撐水平孔、鰭片和懸挑，探索了分辨率限制。在不同的直徑范圍內，測試被無支撐頂棚塌陷堵塞的水平井眼面積和成功生產(chǎn)的垂直井眼面積。確定了銷釘和翅片的最小可生產(chǎn)特征尺寸。研究了印刷角度對表面粗糙度的影響，以及機器運動引起的波紋輪廓。內應力的影響，包括彎曲，翹曲，和零件的開裂，被檢查。確定了不翹曲可生產(chǎn)薄壁的最小厚度。對矩形波導段進行了系統(tǒng)的研究，以確定尺寸精度和批對批變異性。

１．２． L-PBF打印GRCop-84的前期研究

與其他方法相比，采用L-PBF的金屬AM方法更受青睞，因為其固結材料的密度接近于單位，快速熔化和冷卻可提高機械性能，且具有較高的尺寸精度和精度。期間L-PBF一層薄薄的金屬粉分散在一個構建板塊和融化的高能量密度激光在選定地區(qū)惰性氣氛中,以防止氧化,隨后降低構建平臺,一個新圖層的權力是分散的,融化到較低的層,如圖4所示。

圖4 AM坐標系，建立L-PBF印刷的版面布局。構建板在負Z方向縮回，而層在XY平面上鞏固。粉末涂布機葉片沿氬氣流動方向掃掠。分辨率測試品包括軸線與打印的Z軸對齊的垂直孔(a)和軸線鋪設在XY平面上的水平孔(b)。

這個過程重復進行，直到完成所需的組件。激光功率、掃描速度、艙口間距和層厚是典型的工藝參數(shù)。由于激光功率低、掃描速度過快或掃描層厚度過大，導致粉末層加熱不足，導致熔池球化，對底層熔入很少或沒有熔入，而激光功率過大或掃描速度過慢，導致材料蒸發(fā)。由于相鄰的空隙不能融合在一起，所以寬的空隙間距會產(chǎn)生孔隙度。由于粉末污染或建造室中的氧氣引起的過度氧化也可能通過抑制底層的潤濕而導致熔池球化。

掃描策略對層連接的影響。

雖然分層高度依賴于掃描策略(上圖)，但在松散粉末上建立，形成懸垂表面，也可能導致分層、屈曲和細胞結構翹曲。這是因為與之前熔化的粉末和體積導電性相比，導熱傳熱量顯著減少。

由于相鄰粉末粒子的多次散射事件，粉末能夠有效吸收1060-1070 nm范圍內的近紅外激光，所需的功率比熔化固結材料所需的功率更低，從而允許使用Nd:YAG光纖激光器進行能量沉積。較大粒度的粉末導致分辨率較差，而較小粒度的粉末更容易團聚在一起，導致粉末輸送機構中流動不良。均勻光束比等效功率高斯光束獲得更寬的熔體池。采用扇形填充掃描模式，將相鄰方格以棋盤狀方式熔化，降低了L-PBF過程中快速加熱和冷卻所引起的殘余應力。大多數(shù)L-PBF的文獻都是關于鈦合金和鋼的，但GRCop-84的AM已被開發(fā)用于火箭發(fā)動機的高熱流通量燃燒室。

grco -84的L-PBF打印技術由NASA馬歇爾航天飛行中心(MSFC)、Quadrus公司(在2020年5月之前正式為ASRC聯(lián)邦航天有限責任公司)和特殊航空航天服務公司(SAS)開發(fā)。GRCop-84打印在維斯瑟精密特種航空航天服務(SAS)的EOS M290上，而美國宇航局馬歇爾空間飛行中心使用的是具有以下設置的概念激光M2：

激光功率:180w

激光掃描速度:600mm /s

層厚:30 μ m

艙口寬度:105μm

當懸垂角度小于Z軸的45°時，冷卻通道的下垂被最小化。微型計算機斷層掃描(μCT)掃描測量空洞內作為打印GRCop-84;99%的孔隙度位于地表以下100 μm處，集中在殼周掃描和填充孔圖案之間的重疊處。散體材料，不包括面層，密度為99.9%，不需要HIPing達到全密度。更快的激光掃描速度增加了l - pbfgrcop -84體的孔隙率;HIPing降低孔隙度。LPBF印刷件外表面的粗糙部分是由于未熔化或部分熔化的粉末顆粒粘附在表面。

1．3. L-PBF幾何基準和表面測量

L-PBF打印的優(yōu)化需要兩類分析:測試特定AM機器類型、工藝或參數(shù)設置的幾何基準的生產(chǎn)，以及隨后使用表面計量技術對生產(chǎn)的幾何基準進行分析，以便與指定的CAD設計進行比較。幾何基準和測試品評估尺寸精度，批對批再現(xiàn)性，表面粗糙度，和最小特征尺寸的AM零件。

插圖A SLM A1Si10Mg零件的多尺度SEM顯微圖(如成品)。

插圖B EBM Ti6AL4V零件的SEM顯微圖(如圖所示)。(a) 45-100 μm粉末、70 μm層厚度搭建，(b) 45-100 μm粉末、50 μm層厚度搭建，(c) 25-45 μm粉末、70 μm層厚度搭建，(d) 25-45 μm粉末、50 μm層厚度搭建。

可以看出，大多數(shù)被研究的金屬基AM過程是PBF系統(tǒng)。圖A、圖B顯示了兩種最常見的PBF工藝所生成的典型金屬構件的成型表面:選擇性激光熔化(SLM，見圖A)和電子束熔化(EBM，見圖B)。很明顯，在不同的觀察尺度下，存在著高度的不規(guī)則性。粉末顆粒的尺寸和幾何形狀影響了制備層的織構，在掃描電子顯微鏡(SEM)顯微照片中可以清楚地看到部分熔化的顆粒。許多儀器可以配置來測量各種感興趣尺度的表面，例如變焦儀可以選擇物鏡，放大率從×2.5到×100不等。這些SEM顯微照片說明了選擇適當?shù)呐d趣尺度、測量儀器和配置以及適當?shù)谋砻婕y理參數(shù)和過濾所面臨的挑戰(zhàn)。

表面紋理測量方法匹配測量技術與幾何基準上AM特征分析的比較。AM允許創(chuàng)建復雜的幾何圖形;選擇合適的表面測量技術，如果對表面輪廓特征和幾何形狀的正確驗證至關重要。表面計量被分解成表面形貌的組成部分:一個表面的完整幾何描述。AM表面的宏觀形狀或形式是“按設計”的功能特征，不包括包含表面紋理的小尺度特征，如波紋或粗糙度。表面紋理被定義為表面上的幾何不規(guī)則性，不影響表面]的形狀。

根據(jù)ISO 4287:1997，表面紋理分為粗糙度輪廓或波紋輪廓。粗糙度分為輪廓濾波器λs和輪廓濾波器λc之間的表面紋理，輪廓濾波器λs濾除感興趣尺度以下的紋理，輪廓濾波器λc濾除感興趣尺度以上的紋理。波紋度分為輪廓濾光片λc和輪廓濾光片λf之間的表面紋理，輪廓濾光片λc在粗糙度和波紋度交點以下的尺度長度上截取紋理，輪廓濾光片λf在包含表面形狀或形狀的波紋度以上截取波長。評估表面紋理的幾何基準被設計用來研究表面紋理和方向之間的關系，這些關系涉及一系列水平、垂直和傾斜的平面。

測量技術和策略的選擇必須與表面紋理中感興趣的空間頻率相匹配。當選擇一種表面表征方法時，應考慮表面的尺度、特征和形狀。接觸式探測是最常用的技術，使用的是機械觸針輪廓儀。必須仔細考慮探頭和表面之間物理相互作用的性質，特別是對于存在孔隙或粘附顆粒的AM材料。表面紋理通常由ISO 4287:1997中規(guī)定的參數(shù)來表征。最常見的參數(shù)是Ra，或評估剖面的算術平均偏差，見計算式(1)，其中Z(x)是沿采樣長度l在給定位移x處的剖面高度Z。

第二常見的是Rq，或評估剖面的均方根(RMS)偏差，見計算式(2)，其中Z2(x)是剖面高度Z在給定位移x沿采樣長度L的平方。

在RF組件的AM中，均方根偏差Rq比平均偏差Ra更重要，因為RF損耗與具有Hammerstad模型（3）的材料的均方根粗糙度（為清晰起見，在（3）中表示為ΔRMS）和表皮深度的比率直接相關。粗糙表面Rr的有效電阻與完全光滑表面Rs的有效電阻之比（Rr和Rs是表面薄層電阻，而不是輪廓參數(shù)）是均方根表面粗糙度（ΔRMS）的函數(shù)，δ是趨膚深度，其中GRCop-84的趨膚深度為δs，Cu～1 × 10?在4.6GHz下為6M。

為了減小Rr/Rs，從而減小射頻功率損耗，RMS表面粗糙度應減小到Rq=0.34 μm以下，使損耗保持在最小值的10%以內。

非接觸式方法，包括區(qū)域形貌技術，如聚焦變化顯微鏡或共聚焦顯微鏡，必須考慮表面的反射特性和深層孔隙或懸垂中的紋理陰影。二維成像方法，如光學顯微鏡和掃描電鏡，用于定性評價表面，而三維方法，如光學三維掃描，可用于匹配特征尺寸的CAD設計。高性能x射線CT掃描是一種適合的方法來表征內部結構或孔隙度，不能接近表面測量。內部冷卻通道的檢查是x射線CT的理想應用;在Ti-6Al-4V合金工件的測試印刷品上觀察到內部通道的形式、殘留的粉末障礙和3 μm以下的孔隙率。

智能手機顯微鏡反射共焦成像。（A）智能手機共焦顯微鏡示意圖；（B）和（C）體內人體皮膚的共焦圖像。

反射共聚焦顯微鏡(RCM)已被用于在體各種皮膚疾病的成像。與生物學研究中常用的熒光共聚焦顯微鏡不同，RCM使用組織內部細胞結構的散射信號。由于RCM可以檢查與疾病狀態(tài)相關的細胞變化，而無需去除可疑病變，因此它有可能在資源不足的情況下對皮膚病進行準確、及時的診斷。然而，RCM在低資源環(huán)境下的利用具有挑戰(zhàn)性，主要原因是設備成本高和可移植性欠佳。展示了一款基于智能手機的RCM設備。在基于智能手機的共焦顯微鏡(圖A)中，一個衍射光柵被用來同時研究多個線場，每個線場都與特定的波長相關聯(lián)。采用無掃描方式進行共焦成像，使得使用智能手機的CMOS成像傳感器捕捉共焦圖像成為可能。使用智能手機RCM設備，皮膚的特征細胞特征被很好地可視化(圖B和C)。

各種各樣的基準工件被用來評估每個AM過程的能力和限制。這些工件被歸類為“幾何基準”，用于測試AM工藝的幾何和尺寸公差、精度、重復性和表面光潔度，“機械基準”，用于評估AM生產(chǎn)材料的抗拉強度和物理性能，或用于調整和優(yōu)化工藝參數(shù)的“工藝基準”。幾何基準通常評估一系列基本形狀的幾何或尺寸精度、可重復性和最小特征尺寸，包括垂直和傾斜圓柱體、平面和傾斜表面、正方形、孔、薄壁、間隙、懸挑和自由曲面，印刷在堅實的底座上，以確保剛性并最大限度地減少翹曲。大多數(shù)幾何工件包括幾個簡單的測試特征，例如矩形或圓形孔和矩形底座上的銷釘；一些工件包含一系列逐漸變小的薄壁或其他精細特征，以研究尺寸限制。

幾何基準的設計可分為四類測試：外形尺寸、特征幾何、特征尺寸以及特征位置和方向。外形尺寸測試在構建板的中心和角落評估的系統(tǒng)的精度，以評估AM過程中潛在的機器特定不均勻性。特征幾何測試平面和非平面配置中無支撐結構的凹凸簡單形狀，以評估尺寸精度和幾何公差。特征尺寸通過連續(xù)減小測試特征的尺寸來達到可行生產(chǎn)尺寸的下限。通過沿構建板在不同位置和方向復制測試特征，特征位置和方向訪問系統(tǒng)空間重復性。AM工藝的典型試驗特征尺寸范圍是厚度最小為0.25 mm但大多數(shù)在0.5–2 mm范圍內的薄壁、直徑為0.5–5 mm范圍內的銷或圓柱體、直徑最小為0.25 mm但大多數(shù)在0.4–5 mm之間的孔以及間距為0.2–3 mm的間隙或槽。

在使用Ti-6Al-4V合金研究L-PBF的過程中，開發(fā)了一種試件，包括凸圓柱體、棱柱體、球體、向上和向下的表面以及跨越一系列直徑的內孔。光學3D掃描映射外部特征，而x射線CT掃描映射內部特征；與指定CAD模型的比較用于分析L-PBF精度、尺寸公差和形狀偏差，如供試品的平面度和圓柱度。光學3D掃描和CT掃描測量的外部特征顯示一致的精度在±100μm范圍內，而內部結構的CT掃描顯示基于特征尺寸的可變尺寸精度。CT和光學方法為測量外部特征提供了可比的結果。

第一個簡單的LPBF基準測試。

盡管增材制造(AM)獲得的幾何復雜性被視為與傳統(tǒng)工藝相比的主要優(yōu)勢，但AM固有的幾何局限性仍然存在，并在設計指南中部分解決了。第一個AM基準工件是在1991年由Kruth9為立體光刻設計的，從那時起，已經(jīng)設計了60多個幾何基準來評估AM零件的尺寸或幾何精度、重復性和最小特征尺寸10。這些現(xiàn)有的基準要么只關注少數(shù)幾個特征(上圖)，要么非常復雜，難以精確測量，因為特征太接近了。

使用Ti-6Al-4V合金對L-PBF進行研究，以檢查EOS M270 XT和概念激光器M2可生產(chǎn)的最小特征尺寸，使用30μm層高和150μm陰影寬度。分析了零件精度和表面質量的基本形狀，包括孔、梁元件、空心結構、壁/肋和AM特定支撐結構。檢查了零件精度對構建板定位、相對于重水的方向和零件尺寸的依賴性。需要堅固的尺寸以確保零件精度；試驗圓柱的直徑為5mm，矩形元件的邊長為5mm，0.5mm厚的壁長為10mm。在使用線切割從構建板上移除試樣之前，對試樣進行熱處理以消除應力。表面與構建方向之間的角度越大，粗糙度越高，而在突出部分上超過臨界角度，則會導致向下表面上的液滴形成增加。對于垂直角度超過50°的情況，建議使用支架；對于>80°的情況，建議使用支架。

先前的試驗品一直包含簡單的幾何特征，如立方體、孔洞和圓柱體，以確定最小可生產(chǎn)特征尺寸。角度表面用于評估表面粗糙度作為構建角度的函數(shù)。幾何測試工件的配置方式應能提供一個堅固的基礎，以防止翹曲，并在特征之間留出足夠的間距，以允許測量訪問。

2. LHCD發(fā)射器制造

GRCop-84的L-PBF AM與其他AM銅合金相比具有較高的強度、高溫兼容性和相對較低的表面粗糙度，因此被選擇用于LHCD發(fā)射裝置。如圖2 (a,b)所示，每個LHCD發(fā)射模塊由一個相控陣多結組成，其中一個WR-159波導饋送一個6 × 4柵格孔徑。每個環(huán)形柱內的粉末被行波極向功率分配器(c)分成4種方式。極向功率分配器有內部調諧根，用于匹配等離子體表面的射頻和選擇功率分配器。6個環(huán)形柱之間的相移是由位于饋電波導和行波功率分配器之間的一系列移相器產(chǎn)生的。射頻波的相移是通過縮小移相器中間的寬壁寬度引起的。由于L-PBF打印機建造體積的尺寸限制，發(fā)射段必須單獨打印，并用電子束或激光焊接方法[33]焊接在一起。發(fā)射段對接焊接在一起(e)成最終組件(b)。

圖2 LHCD發(fā)射裝置的組件(a)是L-PBF打印的，是截面(b)，并焊接在一起成為完整的發(fā)射裝置。極向功率分配器(c)是發(fā)射裝置中最復雜的可重入懸垂部分。8個發(fā)射模塊(a)在DIII-D tokamak (d)的高場邊組裝成一個陣列。

在設計用于通過傳統(tǒng)加工技術生產(chǎn)的極向分離器版本中，分離器框架和蓋板打印為一堆實心型材，如圖1（c）所示，如圖3（a–c）所示，使用CuCrZr試件或GRCop-84截面（d–f），使用線放電加工（EDM）切割成最終輪廓和厚度。極向分離器框架輪廓（a）通過電火花線切割成6 mm厚的框架（b），然后進行數(shù)控銑削，為電子束或激光焊接添加焊接細節(jié)。蓋板從銅塊上電火花切割成0.5 mm厚的薄板（b），并焊接到極向分離器框架（c）上。使用電子束焊接導致機架和蓋板翹曲，而激光焊接消除了這種影響。

圖3三種極向功率分壓器的構造方法:CuCrZr或grco -84的常規(guī)加工(a-c)， L-PBF打印段，然后電火花切割、釬焊和焊接(d-f)，單片L-PBF打印，然后電火花切割到薄側壁(g-i)。

完全由L-PBF打印產(chǎn)生的極向分裂器如圖3 (g-i)所示，通過將內部頂部波導表面以45°角(h)倒角來從側壁支撐頂部表面，從而使每個分裂器可以作為一個整體單元(i)打印。在這種結構中，與(a-f)中所示的版本不同，在組裝前不可能對內表面進行機械拋光。這一版本需要化學或化學-機械加工在內部表面，以及修剪的側壁厚度0.5毫米。增材制造是單片印刷的關鍵技術。

來源：Resolution and geometric limitations in laser powder bed fusionadditively manufactured GRCop-84 structures for a lower hybrid current drivelauncher，F(xiàn)usion Engineering and Design，doi.org/10.1016/j.fusengdes.2021.112847

參考文獻：Ellis, D.L. “GRCop-84: a high-temperature copper alloy forhigh-heat-flux applications.” NASA/TM 2005-213566 (2005). https://ntrs.nasa.gov/citations/20050123582.