上交大+联赢激光红蓝混合激光器解决高反材料成形难题

导言

铝合金因其密度低、导热性高、加工性能好、机械性能优异而广泛应用于航空航天和汽车领域。然而，铝合金的低熔点和较差的耐磨性限制了其在高耐磨性和高温条件下的进一步应用，如气缸、内燃机凸轮、活塞、阀座等产品不能由单一铝合金制成。目前，许多人正在尝试使用激光熔化工艺来实现铝合金的表面改性，如镍基、铜基和铁基合金，以获得更好的耐磨性和高温性能。

镍基和铁基材料可以显著提高产品的表面硬度和耐磨性，但镍基和铁基合金的导热性很差，不适合内燃机、活塞等高散热要求，因为积累的热量会导致铝合金基材的变形或熔化。

铜合金具有高导热性和自润滑性，有利于提高铝合金表面的耐高温性和耐磨性，同时保证导热性。因此，铜合金是铝合金表面熔化的可以选择。

然而，传统的10种铝合金和铜合金 nm红外激光波长的吸收率很低，只有∼7%和∼5%。

低功率熔化时，能量输入不足，粉末不能完全熔化。

当使用高功率熔化时，勺孔效应是不可避免的。勺孔效应导致材料对激光的吸收效率剧烈波动，勺孔内激光的多级反射也使飞溅现象更加严重，较终导致孔隙、裂纹和未熔化缺陷。

铝合金和铜合金对450纳米蓝色激光的吸收率可分别达到∼14.5%和∼65%。因此，蓝光激光器的发展有望克服高反射率合金熔覆的困难。

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日本在这方面的发展

近年来，大阪大学在蓝色激光处理领域进行了一系列开拓性研究。

2018年，Tsukamoto通过调整光学组件，教授团队聚焦了6个单功率为20瓦的蓝色激光器发出的光束，成功地将铜合金熔化在不锈钢表面。然而，由于激光功率仍处于较低水平，在熔化层中观察到一些孔隙。高功率蓝光激光器已成为阻碍铜合金熔化的主要问题。

2019年，Tsukamoto教授团队为纯铜开发了100瓦蓝色激光器SLM(选区激光熔化)添加剂制造。生产密度约97.8%的纯铜管。为了提高添加剂制造产品的质量，需要进一步提高蓝色激光器的功率。

2020年，Tsukamoto教授团队将两个100瓦蓝色激光器的光束聚集在一起，成功获得了无明显孔隙和裂纹的纯铜熔化层。然而，涂层宽度仅为620微米，涂层效率较低。

德国在这方面的进步

2019年，德国激光制造商Laserline的Simon实验证明，1000瓦的蓝色激光直径为2mm纯铜合金在铜基板上仍不能熔化。

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美国在这方面的发展

2020年，美国激光制造商NUBURU Incorporated的Zediker使用1000瓦的蓝色激光器将斑点直径降低到215微米，实现纯铜和1100铝合金的熔化，发现铜和铝的熔化深度相似。然而，小斑点（215微米）极大地限制了激光熔化的效率。

简而言之，短波长蓝色激光器在加工铜、铝等高反射材料方面具有巨大的优势。然而，低功率和小光点限制了其在激光熔化领域的进一步应用。

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中国在这方面的发展

红蓝混合激光可以克服蓝激光器的低功率密度和大功率红外激光的不稳定性，有望实现高反射材料的高效熔化或SLM添加剂制造。事实上，德国激光器制造商Laserline的Simon在红蓝混合激光熔覆纯铜方面做了一些研究，但缺乏相关的微结构和缺陷分析。

在此基础上，中国上海交通大学系统研究了蓝光、红光、红蓝混合激光在铝基材上熔化纯铜时的熔池稳定性、熔池尺寸和熔化层的微观结构。讨论了不同激光的成型机制。为红蓝混合激光在高反射材料（如铜、金、铝等）的制造和应用奠定了理论基础。

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本实验参与单位

国家上海交通大学金属基复合材料重点实验室

上海交通大学材料科学与工程学院

淮北上海交通大学(安徽)校友材料研究所

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本文亮点

(1)同轴红-蓝混合激光器AlSi7Mg在合金基板上熔覆纯铜，比较熔池稳定性、熔池尺寸和三种光源(红外、蓝色及其混合源)的微观结构。

（2）高反金属对红外激光的吸收率较低，因此在加工过程中需要较高的功率，但高功率激光会导致熔池稳定性差。蓝光激光波长短，高反金属吸收率高，但蓝色激光功率低，导致零件密度差。上述两个问题可以通过高功率红外激光和低功率蓝色激光的结合有效地解决。

(3)混合激光熔化过程中的热积累较为明显，冷却速度较慢(1).36×10^4 K/s），因此，微结构更厚。因此，在铝基材上覆盖纯铜时，混合激光形成的熔池更稳定，熔池尺寸更大，这与高反射率合金总激光吸收率的显著提高和吸收率波动的降低密切相关。

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材料和方法

(1)熔覆实验UW-B4310M高功率红外-蓝光混合激光器由连续3000W（10 nm）红外激光器，10000W（450nm）由一套控制软件组成的蓝光激光器。

(2)红外激光发射高斯光束，光斑大小为2.4mm。蓝色激光发射平顶光束，光斑大小为1.75mm。

(3)通过光束整形技术获得平顶光束。

(4)两个激光束的轴在空间上重叠。

(5)实验中，气体雾化纯铜粉的尺寸分布范围为50至150μm，平均尺寸为120.5μm。纯铜粉的氧含量控制在0.013wt%以下。

(6)使用的基材是AlSi7Mg合金，名义化学成分（wt.%）为6.85Si，0.02Fe，0.03Cu，0.28Mg，0.03Mn，0.01Zn，0.03Ti，Al（Balance）

(7)预设粉末层厚度1mm。

(8)在不同的激光源下进行单道实验。所有样品的扫描速度见下表。（v）60毫米/秒。

(9)所有实验都是在氩气的保护下进行的。氩气流量为15升/分钟。(10)熔化过程中使用了一个Revealer® X113 CMOS采样频率为6800 fps(帧/秒)。

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结果和讨论

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熔池的形态

(1)红外激光功率为200瓦:纯铜和AlSi7Mg合金导热性高，激光反射率高，能量吸收不足，熔覆道熔深很浅。在随后的运输过程中，熔覆甚至从基板上掉下来。

(2)随着红外激光功率的增加，单道变得连续均匀。铜/铝熔覆单道在1000瓦的红外激光功率下获得良好，无缺陷。

(3)当红外激光功率进一步增加到1800瓦以上时，单道会出现直径200微米的明显孔洞。

(4)总结:红外激光器的能量密度过高或过低AlSi7Mg衬底上覆盖着纯铜合金。尽管在1000瓦时内可获得无缺陷熔覆单道，但低激光功率限制了沉积效率。

(1)铜和铝对4500nm激光的吸收率较高，因此蓝色激光将提高熔化质量和效率，这是理论逻辑的推断。然而，蓝光激光功率较小（在5%范围内波动较大）。如此大的吸收率波动和能量波动使熔池中的熔化和凝固过程极不稳定，容易形成气孔缺陷。

(3)在金属蒸汽的作用下，熔道边缘的粉末颗粒逐渐聚集熔化，形成飞溅。当靠近熔池时，这些颗粒被吸入熔池顶部，与基体分离，形成液滴飞溅。这两种飞溅相互碰撞融合，形成大飞溅。

(4)总之，红外激光器下高反射率材料之间的熔化过程非常不稳定，容易形成气孔和飞溅。

(1)蓝激光作用下无钥匙孔，总吸收率仍为65%，吸收率波动不大。

(2)与红外激光器相比，蓝色激光器下的等离子体温度较低，电离度较低，大大降低了入射激光器的吸收和散射。

（3）简而言之，提高激光吸收率和降低范围（减少散射）非常有利于提高反射材料熔化单道的稳定性，减少蓝色激光熔化过程中的孔和飞溅。

不幸的是，蓝色激光器的功率密度不足以完全熔化粉末，导致严重的球形现象。

（1）使用混合激光器时，铜对蓝色激光器的高吸收率导致合金迅速熔化，形成凹陷区，红外激光器的吸收率显著提高。添加高能密度红外激光器可以快速将凹陷区转化为深熔焊区。红外激光器在这个深钥匙孔中的反射增加了激光的总吸收率。因此，混合光源的总能量吸收率远高于65%(蓝光的理论吸收率)。

(2)由于吸收率变化较小，混合激光诱导的等离子体和金属蒸汽比纯红外激光器更均匀。如此小的吸收率波动更有利于熔池的稳定性，减少熔化过程中的孔洞和飞溅。

(3)此外，混合激光器总能量利用率的增加使熔化过程中的热积累更加明显，凝固速度更慢，熔池尺寸更大。冷却速度慢也使熔池内的气体更容易溢出，从而获得无缺陷样品。

(4)总之，混合激光器在铝基板上熔覆纯铜具有稳定性高、缺陷少、熔池尺寸大等优点。

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AMLetters评论

(1)这项工作证实了红外-蓝色混合激光器在熔化高反射率材料(如铜、金、铝等)方面的潜力。).混合激光器可以扩展到其他应用程序，如SLM。

(2)据说快盘式绿光激光器价格昂贵，深圳联赢激光混合激光器价格未知，但确实让AMLetters看到了SLM国用国产激光器突破高反材料成型问题的希望。

德国弗劳恩霍夫实验室(3)引领全球增材制造技术（Fraunhofer）官网有这样一张图，描述了增材制造技术未来的发展脉络和我们目前的阶段。毫无疑问，增材制造技术已经到了简单工业应用的历史交汇点，广泛接受和大规模工业应用，SLM当技术本身带来的商业价值进一步爆发时，我们也应该意识到这些技术很快就会达到瓶颈。光束整形(激光束整形:SLM未来)、面部曝光(区域打印 或将颠覆SLM）、绿光、蓝光、混合光、飞行打印(飞行打印)等新技术都可能是下一次技术跳跃的机会。和世界一样，这个行业发展得太快了。不学习进步的企业和步伐缓慢的企业较终会被历史洪流淘汰，成为汹涌澎湃的浪花。