激光吸收率使铜在激光3D打印上是一个“例外”

激光是现代工业制造中的主要工具，进入20世纪以来被称为“最快的刀”、“最准的尺”、“最亮的光”。激光现在无处不在，食品日化包装有激光打的日期二维码；汽车上有激光切割焊接的钣金件；3C手机等电子产品上有LOGO激光打标、电路板打孔、外壳焊接等工艺，激光加工可以覆盖常见的绝大多数材料，我们正在用激光工具改变生活。

激光加工的材料也有“例外”，这里讲的就是铜。铜是一种对光高反射的材料，光路是可以靠反射改变路线的，反射光束也会间接损坏激光器等设备，同时高反意味着低激光吸收率。

金属3D打印是目前增材制造的热点，利用激光束将金属粉末颗粒，用高能量的激光熔融金属粉末沉积，同时烧结固化粉末金属材料并自动地层层堆叠，以生成致密的几何形状的实体零件。而金属本身是致密体重熔，不易产生粉末冶金那样的成形时的空穴，结构件致密度可达99％以上，接近锻造的材料胚体。因此，材料对激光的吸收率直接影响激光增材制造成形件质量，而常规铜板对1064nm光吸收率仅4%，球形度较高的铜粉激光吸收率为44%，近球形铜粉的激光吸收率为32%，激光吸收率较低直接导致激光增材制造过程中激光能量散失，熔池温度过低，成形件会出现粉末未熔化，孔洞，致密度低等缺陷，进一步影响成形件的力学、导热和导电性能。

常规3D打印使用的铜粉激光吸收率的影响因素：

1. 粒度的影响

三种不同粒度分布的纯铜粉末对不同激光的反射率如下图所示，可见铜粉对激光的反射率会随着波长的增加而增加，尤其在于高于550nm波长的波段，铜粉对激光的反射率迅速增加，这也是尽管1046nm红外激光有着良好的致热性但是SLM成形铜零件较为困难的主要原因。40-160um纯铜粉对1064nm波长激光的吸收率为21.8%，15-53um范围的激光吸收率为22%，5-35um范围的激光吸收率为39.4%。

2. 合金化影响

测试Cu-0.8 wt% Cr粉末的激光反射率并与纯铜粉末的激光吸收率对比，Cu-0.8wt%Cr粉末在1064nm波长处的激光反射率为69.5%，相对于同等粒度分布纯铜粉末的激光反射率有所下降，但是仍高于5-35um纯铜粉的激光反射率，如下图所示。已有实验表明，与铜相比Cr具有更高的光吸收值，并且Cr元素固溶在Cu晶格畸变也会对激光吸收率产生影响，因此在相同的15-53um粒度范围内，由于加入了0.8wt%的Cr元素，Cu-0.8wt%Cr粉末的激光吸收率大于纯铜粉末的激光吸收率，在1064nm处，Cu-0.8wt%Cr粉末的激光吸收率为30.5%，而15-53um纯铜粉末该数值为22%。

3. 表面改性的影响

纳米TiC是一种粒径小，比表面积大，表面活性高的黑色粘性粉末，通常作为增强相加入金属基体中提高材料性能，纳米级的粉末在激光熔池中能够快速均匀化，纳米TiC在不同波长处的激光吸收率如下图所示，由图可见纳米TiC的激光反射率并没有随着波长增长呈现大幅度波动，在1064nm波长处其激光吸收率依旧高达96.7%。以下将通过纳米TiC表面改性来提高铜及铜合金粉末的激光吸收率。

纳米TiC对不同波长激光的反射率及在1064nm波长处的激光反射率

采用球磨的方式将纳米TiC包覆在铜粉表面，分别在三种粒度分布的纯铜粉中加入0.05%、0.1%、0.2%、0.3%、0.4%质量分数的纳米TiC并使用UV-3600Plus紫外分光光度计测试每种粉末的激光反射率。由下图可知纳米TiC的加入明显降低了纯铜粉的激光反射率，并且随着纳米TiC含量的增加激光反射率越来越小，呈有规律的梯度下降。纳米级尺寸的TiC通过球磨的方式均匀的包覆在铜粉表面，遮盖了铜粉原来的金属光泽，再加上纳米TiC本身对激光的高吸收率，显著降低了铜粉的激光反射率。

4.氧化处理

将三种纯铜粉末以及Cu-0.8wt%Cr合金粉末放入刚玉坩埚中分别加热至50℃、150℃、250℃、350℃并保温5min,室温下（RT）与氧化处理后测试等得到的激光反射率如下图所示。三种纯铜粉末在50℃与150℃并保温5min条件下，其激光吸收率与未氧化处理粉末的激光吸收率相比变化较小，当温度升高至250℃并保温5min后，粉末的激光反射率有了明显的下降，并在350℃保温5min的条件下达到了最大值，在350℃保温5min的条件下5-35um、15-53um、40-160um三种纯铜粉末的激光吸收率分别为61.7%，68.3%，64.8%。Cu-0.8wt%Cr粉末在50℃与150℃氧化处理后激光吸收率从30.5%分别提升到了41.2%，42.3%，在250℃和350℃氧化处理后激光吸收率分别提升到了76.9%，77.4%，与相同粒度分布的纯铜粉末相比氧化处理后激光吸收率提升较大。

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