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從業(yè)幾年的朋友可能聽(tīng)說(shuō)過(guò)鋁合金和銅合金具有“高反”特性，把激光都反射跑了，部分反射光甚至?xí)p壞價(jià)格昂貴的掃描振鏡，這也是很多單位不敢輕易打印純銅的原因，不僅零件的致密度不高而且會(huì)損壞設(shè)備。
今天的介紹基于一篇于2022年3月26日掛網(wǎng)《Materials & Design》（影響因子7.991）的綜述文章《激光增材中粉末特性對(duì)吸收率的研究》，這篇文章由瑞典理工大學(xué)、弗勞恩霍夫材料和光束技術(shù)研究所、德國(guó)業(yè)納集團(tuán)共同完成。
他們測(cè)定了鈦合金、鋁合金、模具鋼、鎳鈦合金、高熵合金、鉻、銅、黃銅和鐵礦石等16個(gè)牌號(hào)的39種金屬粉末對(duì)不同波長(zhǎng)激光的吸收率。分析了粉末粒徑和時(shí)效狀態(tài)對(duì)吸收率的影響。測(cè)量結(jié)果為確定各種材料的工藝參數(shù)提供了良好的理論基礎(chǔ)，也為進(jìn)一步優(yōu)化金屬粉末對(duì)激光的吸收率提供了數(shù)據(jù)參考。
01 為什么要做這個(gè)研究
光是一種電磁輻射/波，其與物質(zhì)的相互作用機(jī)制可以大致分為三類：
（1）物質(zhì)對(duì)光的傳輸特性，它可以使光在光纖和透鏡中傳輸。
（2）物質(zhì)對(duì)光的吸收特性，光與物質(zhì)發(fā)生強(qiáng)烈的相互作用，在這個(gè)過(guò)程中，光電子被電子吸收并轉(zhuǎn)化為聲子，結(jié)果是物質(zhì)升溫。
（3）物質(zhì)對(duì)光的反射特性，反射發(fā)生在表面，但不會(huì)將所有光都反射走，總有一部分光會(huì)穿透材料被吸收。
這三種機(jī)制都強(qiáng)烈依賴于所用電磁輻射的波長(zhǎng)。
具體到金屬增材制造，加工的效率和工藝穩(wěn)定性在很大程度上取決于所用材料對(duì)激光的吸收率和反射率，也就是說(shuō)很大程度上受激光波長(zhǎng)的影響。目前主流的SLM設(shè)備使用1070±10nm波長(zhǎng)的紅外激光；通快因?yàn)樽约貉邪l(fā)激光器的優(yōu)勢(shì)，給自己設(shè)備配置了更短波長(zhǎng)的碟片式綠光激光器，但價(jià)格不菲；上交大和深圳的聯(lián)瀛激光正在推進(jìn)紅+藍(lán)混合激光在金屬增材領(lǐng)域的應(yīng)用，這個(gè)方向的研究放眼全球也是非常前沿的，著實(shí)為國(guó)人爭(zhēng)了一把光。（這算是題外話了）上交大+聯(lián)贏激光 紅藍(lán)混合激光器解決高反材料成形難題
針對(duì)同一種波長(zhǎng)的激光，金屬粉末的粒徑大小、粒徑分布、堆積狀態(tài)（鋪粉狀態(tài)）、表面氧化物也都會(huì)影響材料對(duì)激光的吸收率。對(duì)吸收率錯(cuò)誤的認(rèn)知可能會(huì)導(dǎo)致打印失敗或花費(fèi)更多的時(shí)間摸索工藝參數(shù)，模擬或預(yù)測(cè)只能獲得有限水平的認(rèn)知，需要實(shí)際測(cè)量值進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證。這就是開(kāi)展這個(gè)工作的原因。
02 都測(cè)試了哪些材料
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材料 |
狀態(tài) |
粒徑[um] |
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德國(guó)牌號(hào)1.0428 |
新粉末 |
20-53 |
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美國(guó)牌號(hào)B 420 N |
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常說(shuō)的420不銹鋼 |
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德國(guó)牌號(hào)1.2344 |
新粉末 |
15-45 |
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美國(guó)牌號(hào)H13 |
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中國(guó)牌號(hào)4Cr5MoSiV1 |
使用過(guò)的粉末 |
18-45 |
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德國(guó)牌號(hào)1.4404 |
新粉末 |
<5 |
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美國(guó)牌號(hào)316L |
20-53 |
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中國(guó)牌號(hào)022Cr17Ni12Mo2 |
22-45 |
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使用過(guò)的粉末 |
26-45 |
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德國(guó)牌號(hào)1.4542 |
新粉末 |
<5 |
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美國(guó)牌號(hào)630 |
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中國(guó)牌號(hào)05Cr17Ni4Cu4Nb |
<10 |
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德國(guó)牌號(hào)1.7131 |
新粉末 |
20-63 |
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美國(guó)牌號(hào)5115 |
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中國(guó)牌號(hào)15CrMn鋼 |
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德國(guó)牌號(hào)2.4668 |
新粉末 |
50-100 |
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美國(guó)牌號(hào)In718 |
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中國(guó)牌號(hào)GH4169 |
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TiCoCrFeNiMo |
新粉末 |
10-53 |
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高熵合金 |
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AlSi10Mg |
新粉末 |
20-53 |
|
63-105 |
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時(shí)效 48 h |
63-105 |
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時(shí)效 96 h |
63-105 |
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AlSi40 |
新粉末 |
24-58 |
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純Ti |
新粉末 |
24-48 |
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Ti64/TC4 |
新粉末 |
20-53 |
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NiTi |
新粉末 |
25-45 |
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鉻 |
新粉末 |
1500-3000 |
|
新粉末 |
15-45 |
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純銅 |
新粉末 |
15-45 |
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表面氧化處理 |
15-45 |
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黃銅 |
球磨 |
121-381 |
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鐵礦石 |
原始狀態(tài) |
<90 |
|
45-4600 |
03 不同金屬粉末對(duì)激光吸收率
01 9種粉末典型測(cè)量值對(duì)比
02 不銹鋼粉末對(duì)激光的吸收率
03 模具鋼粉末對(duì)激光的吸收率
04 高溫合金粉末對(duì)激光的吸收率
05 銅合金粉末對(duì)激光的吸收率
06 鈦合金粉末對(duì)激光的吸收率
07 鋁合金粉末對(duì)激光的吸收率
08 粉末粗細(xì)對(duì)激光吸收率影響
09 粉末新舊對(duì)激光吸收率影響
10 表面氧化對(duì)激光吸收率影響
11 熱處理對(duì)激光吸收率影響
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