《Advanced Powder Technology》：Production of CuCrZr parts via the IR laser powder directed energy deposition through powder modification
编辑推荐：
本研究通过激光粉末定向能量沉积（LP-DED）技术，采用氧化和氮化预处理方法增强CuCrZr合金的激光吸收，优化工艺参数以实现高密度近净成形零件，减少设备损伤。
哈米德雷扎·贾维德拉德（Hamidreza Javidrad）| 巴哈丁·科克（Bahattin Koc）
土耳其伊斯坦布尔萨班吉大学（Sabanci University）工程与自然科学学院
摘要
基于铜的合金的增材制造（Additive Manufacturing, AM）由于在热管理系统中的广泛应用而受到了不同行业的广泛关注。然而，由于铜合金的高激光反射率和导热性，其加工难度仍然很大。本研究的目的是通过激光粉末定向能量沉积（LP-DED）技术开发一种经济高效的方法，以生产近乎无缺陷的CuCrZr合金零件。为此，建立并实施了一种热处理工艺，通过在粉末颗粒周围形成吸收层来提高合金的激光吸收率，并增加其表面粗糙度。结果表明，氧化和氮化处理的结合在粉末颗粒周围形成了稳定且致密的层，有效改善了铜合金的加工性能，并通过提高熔池稳定性增加了材料的密度。优化的工艺参数成功制造出了几乎完全致密的零件，而无需使用可能损坏光学元件和喷嘴的过量热量。从整体样品中获得的微观结构显示，经过处理的粉末具有更细的晶粒，这是因为形成了更粗的沉淀物，从而获得了相当的机械性能。
引言
由于铜粉末的高导热率和激光反射率，铜合金的增材制造过程颇具挑战性。这些特性导致只有少量的施加能量被粉末吸收，从而无法形成稳定的熔池。因此，沉积的轨迹无法与剩余材料充分混合，导致出现未熔合（LoF）缺陷[1]。因此，通常需要更高的激光功率来克服激光吸收不足的问题，但这会导致粉末飞溅和机器设备（如喷嘴）的损坏。然而，随着对热管理系统需求的增长，生产基于铜的零件变得非常迫切。激光粉末定向能量沉积（LP-DED）是一种能够制造具有一定复杂性的中大型组件的增材制造方法。此外，使用多种材料制造组件的潜力促使制造商生产含有铜的多材料组件，以增强散热性能。鉴于加工铜合金所面临的挑战，研究人员仍在寻找可行的方法来提高铜与激光之间的相互作用。
CuCrZr合金是一种通过沉淀硬化获得高导热性和良好表面性能的合金，在热管理系统中有着广泛的应用[2]。文献中有一些研究试图确定这种铜基合金的最佳工艺参数组合。Zardoshtian等人[3]建立了用于单轨LP-DED CuCrZr生产的工艺参数范围；然而，由于粉末颗粒的润湿性和高反射率问题，生产整体样品仍然存在显著困难。所提出的最佳参数包括高激光功率和低扫描速度，以便为铜合金的沉积提供足够的时间和热量，但这也会导致局部热量过度积累并损坏系统。除了反射率问题外，高导热性也带来了重大的生产挑战。Diao等人[4],[5]指出，在多层沉积过程中控制层高是一个难题。Thanumoorthy等人[6]建议采用自适应激光功率的方法来克服CuCrZr的高导热性。他们提出应根据粉末进料速率调整激光功率，并在第三层之后增加功率。然而，这种方法增加了过热和反射的风险，可能会损坏机器。使用绿色或蓝色激光可以提高铜合金的激光吸收率，因为它们的波长较短[7]。Liu等人[8]探索了在LP-DED装置中使用蓝色激光，并将结果与红外激光进行了比较。研究发现，与红外激光相比，蓝色激光显著提高了纯铜粉末的吸收率；然而，这些激光目前尚未得到广泛应用。因此，粉末改性作为一种替代方法受到了关注。粉末改性包括添加元素或涂覆粉末涂层，以提高粉末的整体激光吸收率。
Jadhav等人[9]报告称，经过优化的氮处理后，CuCr1的激光吸收率显著提高。经过处理的粉末通过激光粉末床熔融（L-PBF）方法制备成了整体样品。作者还尝试使用机械混合方法添加了0.1%的碳纳米颗粒，将纯铜的激光吸收率从29%提高到了67%[10]。尽管成功加工了铜，但在制造的零件中观察到了碳的偏聚和裂纹。粉末氧化也被证明是一种廉价且有效的方法，可以提高铜合金的激光吸收率[11],[12]。在200°C下处理2小时后形成的薄氧化层使纯铜的激光吸收率提高了100%[11]。需要注意的是，即使在经过处理的粉末上，L-PBF过程也需要高激光功率（例如500 W）和低扫描速度（例如600 mm/s）才能实现完全致密的零件。Yang等人[1]也报告称，在铜粉末颗粒周围形成均匀致密的CuO层后，加工性能得到了显著改善。Brandau等人[13]指出，氧化层产生的表面粗糙度使得单束光线的入射次数增加，每次入射都会吸收部分能量，从而提高了整体能量吸收率。Lassègue等人[14]在纯铜粉末上采用物理气相沉积（PVD）涂覆CrZr，将激光吸收率提高了81.8%。Speidel等人[15]和Jadhav等人[16]使用类似的方法在纯铜上沉积锌和锡，以提高L-PBF纯铜的吸收率和密度。Zheng等人[17]结合热处理采用了共沉淀镀层方法，在铜颗粒上镀镍。结果表明，Ni涂层显著提高了通过L-PBF制备的整体纯样品的质量密度。虽然PVD涂层可以增强吸收率，但它们需要专用设备，要么不易获得，要么成本较高，因此在工业规模上的应用仍然具有挑战性。Hu等人[18]使用化学和热处理方法在CuCrZr粉末上沉积了Y2O3，报告称激光反射率降低，同时机械性能也得到了改善。Liu等人[19]通过添加1%的LaB6显著提高了纯铜的激光吸收率。Tertuliano等人[20]添加了CuS和TiB2纳米颗粒以及多层石墨烯片，以提高纯铜的激光加工性能。因此，作为粉末涂层添加低反射率材料似乎是提高铜基合金可打印性的最可行方法。然而，这些处理方法的适用性不能简单地扩展到LP-DED方法，因为LP-DED过程中激光与粉末流的动态相互作用导致工艺更为复杂，吸收率低于L-PBF方法。
本研究首次旨在通过LP-DED技术开发一种经济高效且适合工业生产的CuCrZr合金整体零件制造方法。为此，进行了预处理工艺和LP-DED工艺参数的优化。涂层沉积后，对不同批次的粉末进行了各种测试和观察，以了解原始（即未处理）和处理后的样品之间的差异。此外，使用优化的工艺参数在不同的粉末条件下生产了多个整体样品，进行了微观结构和机械分析。
部分摘录
粉末制备
铜CrZr原始粉末（Cr: 0.87, Zr: 0.06 wt%），粒径为45–106 μm，由土耳其SENTES BiR公司提供。粉末被分成几批进行处理和研究。之后，将粉末铺展在宽陶瓷板上，形成薄层，以便在处理过程中更好地渗透氮气并实现均匀涂层。使用配备可拆卸腔室的普通热处理炉进行粉末处理。使用纯度为99%的氮气流进行
粉末微观结构分析
图1(a–d)显示了原始粉末和处理后粉末的SEM图像，放大倍数不同。可以看出，图1(a)中的原始粉末颗粒表面相对光滑，带有少量卫星颗粒，这会进一步放大这种合金的高反射率。在粉末生产过程中沉淀的Cr元素在表面很容易检测到。Cr沉淀物的尺寸通常在几纳米范围内。通过氮化处理，形成了一层薄薄的
结论
本文建立了一种通过配备红外激光的LP-DED方法经济高效地加工CuCrZr合金的方法。所开发的系统包括优化的粉末处理策略和工艺参数优化，用于整体零件的沉积。研究了粉末处理对通过LP-DED方法生产的CuCrZr的可打印性和性能的影响。结果表明，氮化和氧化处理不仅通过提高表面润湿性和熔化性能来促进可打印性
CRediT作者贡献声明
哈米德雷扎·贾维德拉德（Hamidreza Javidrad）：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，可视化，验证，软件，方法论，研究，正式分析，数据管理。巴哈丁·科克（Bahattin Koc）：撰写 – 审稿与编辑，验证，监督，资源管理，项目协调，资金获取，概念构思。
资助
本研究获得了土耳其科学技术研究委员会（TUBITAK）的外部资助，资助编号为121D021 – 3219504/35。
利益冲突声明
作者声明以下可能被视为潜在利益冲突的财务利益/个人关系：巴哈丁·科克报告称获得了土耳其科学技术研究委员会的财务支持。如果还有其他作者，他们声明没有已知的可能会影响本文所述工作的财务利益或个人关系。
致谢
作者感谢土耳其科学技术研究委员会（TUBITAK）对这项工作的资助（121D021 – 3219504/35），并感谢SENTES BIR提供用于本研究的CuCrZr粉末。
