雙金屬沉積能力是各種行業(yè)中使用定向能量沉積（DED）的主要原因。將多種材料組合在一個實體零件中，通過有意選擇符合工件不同區(qū)域所需性能特性的材料特性，可以提高性能。組合金屬越不相似，零件特性可以修改得越多，這一優(yōu)勢就越明顯。
從歷史上看，由于其反射性質(zhì)，銅在DED中的使用一直受到限制。激光行業(yè)的最新進(jìn)展使在DED機(jī)器中使用藍(lán)色激光器成為可能，從而可以沉積更先進(jìn)的銅合金和純銅。
01
從覆層開始
使用紅外激光器（IR=1040nm），純銅的吸收系數(shù)僅為2%。因此，目前實際應(yīng)用中多使用吸收率高的CuAl10、CuSn8、Cu18150等銅合金。盡管如此，銅的吸收率還是遠(yuǎn)低于鋼。3kW以上的高功率激光器在加工銅合金時表現(xiàn)良好。此外，在過去幾年中，銅基底的預(yù)熱和利用更有效沉積角度的先進(jìn)覆層策略取得了成功。
典型的應(yīng)用集中在各種航天應(yīng)用中，最常見的是火箭噴嘴中的銅基板上包覆鉻鎳鐵合金。例如，圖1顯示了Cu18150銅基底在激光粉末床聚變（LPBF）系統(tǒng)（DMG MORI的LASERTEC 30 DUAL SLM，電話13522079385）上的設(shè)置，該系統(tǒng)夾在五軸車銑LASERTEC 3000的主軸上。銅基底是在LPBF系統(tǒng)上使用1kW激光器建造的，并且在外徑周圍增加了開放式冷卻通道。3kW激光器沉積Inconel 625覆層，并相應(yīng)地封閉冷卻劑通道。銅的反射是制造過程中的一大挑戰(zhàn)。
圖1：LASERTEC 3000銅基底上的鉻鎳鐵合金覆層
（圖片來源：DMG MORI）
在西門子NX等五軸CAM程序中創(chuàng)建的先進(jìn)刀具路徑，可以獲得如圖2所示的成功結(jié)果。微觀結(jié)構(gòu)分析顯示銅基底和鉻鎳鐵合金之間有良好的結(jié)合。
圖2：Cu18150上有一致的Inconel 625覆層
（圖片來源：DMG MORI）
02
新可能性
激光工業(yè)的最新發(fā)展提供了在替代波長范圍內(nèi)具有更高激光功率的二極管激光器。特別是，可見光譜中的綠光和藍(lán)光激光器直到最近才在經(jīng)濟(jì)上可行。圖3顯示了與范圍在900至1070nm之間的紅外激光器相比，使用波長光譜為450nm的藍(lán)光激光器的優(yōu)勢。藍(lán)色激光器（450nm）比綠色激光器（515nm）顯示出進(jìn)一步的進(jìn)步。所有金屬的能量吸收都得到了改善，其中銅的收益最為顯著。
圖3：基于激光源波長的能量吸收
銅在紅外光譜中幾乎不吸收任何光，在藍(lán)色波長光譜中則跳躍到與鎳和鐵相同的吸收水平。鎳在藍(lán)色激光范圍內(nèi)吸收光的效率高出19%。因此，在DED工藝中沉積純銅和諸如Cu18150的合金變得可行。
圖4比較了兩種合金：一種是低合金銅合金鋁青銅CuAl1（1wt%的Al，>96wt%的Cu）；另一種是純銅。使用紅外激光器和藍(lán)色激光器來沉積這兩種合金。可以清楚地看到，在鋁青銅上紅外激光器表現(xiàn)良好，但在純銅上，紅外激光器則無法沉積材料。藍(lán)色激光器在鋁青銅和純銅上都能形成一致沉積。
圖4：用紅外和藍(lán)色激光器沉積CuAI1和純銅的結(jié)果
03
火箭噴嘴
將銅和鉻鎳鐵合金等材料結(jié)合在一起的可能性使航天工業(yè)受益匪淺。主要是為了改善推進(jìn)器和火箭噴嘴等推進(jìn)部件的冷卻，使用銅并涂覆鉻鎳鐵合金，以承受高壓并在高溫下提供高強(qiáng)度。
以前，火箭噴嘴是通過復(fù)雜的工藝鏈生產(chǎn)的，包括鑄造、鍛造、機(jī)加工、電鍍和某種形式的覆層。典型的流程鏈延伸到不同的地點，導(dǎo)致長達(dá)數(shù)月的交付周期。此外，所涉及的工藝和材料非常昂貴，可能會使單個小級火箭噴嘴（Z方向約為600mm×800mm）的成本高達(dá)數(shù)十萬美元。同一組件的交付周期可能長達(dá)9個月。
通過使用混合制造系統(tǒng)，可以在一臺機(jī)器上以單一設(shè)置制造相同的部件。圖5顯示了DMG MORI的LASERTEC 125上制造的演示部件。在高達(dá)1250mm×790mm的零件中，銅基底和鉻鎳鐵合金覆層逐層沉積。截面A是銅基底完全結(jié)合到鉻鎳鐵合金覆層的視角，而截面B則沿著沉積高度垂直觀察冷卻通道，顯示了每層銅和鉻鎳鐵合金之間的牢固連接。
圖5：火箭噴嘴需要銅基底和鉻鎳鐵合金覆層的組合
（使用機(jī)床DMG MORI LASERTEC 125）
通過將沉積和機(jī)加工過程集成到一臺機(jī)床中，與過去的幾個月相比，火箭噴嘴可以在幾天內(nèi)制造出來。同樣，也有可能大幅降低成本?？紤]到粉末成本和機(jī)床購買，噴嘴的生產(chǎn)成本從以前的數(shù)十萬美元到現(xiàn)在的數(shù)萬美元不等。
材料質(zhì)量和工藝可重復(fù)性對于采用新技術(shù)至關(guān)重要。因此，LASERTEC 125還配備了現(xiàn)場熔池監(jiān)測、工作距離控制（部分到DED工具）、部分溫度控制和粉末流量監(jiān)測。
04
模具應(yīng)用
使用帶有藍(lán)色激光器的混合制造系統(tǒng)可以實現(xiàn)一種全新的模具制造方式。圖6顯示了一個模具鑲件，它是在LASERTEC 65上用藍(lán)色激光器從頭開始制作的。模芯沉積在銅中，模具鑲件的表層沉積在硬度為55HRC的工具鋼中。在沉積第一部分（a）時，將隨型冷卻水路加工到部件（b）中，這樣持續(xù)幾次，直到完成最后的部分（c）。
圖6：具有銅芯和隨型冷卻水路的模具鑲件
實驗將模具鑲件的傳統(tǒng)設(shè)計與增材制造設(shè)計進(jìn)行了比較。研究發(fā)現(xiàn)，模具的熱性能得到了改善，因此循環(huán)時間可以減少76%。這不僅提高了生產(chǎn)率，而且還發(fā)現(xiàn)鑄件具有更一致的質(zhì)量，每年可節(jié)省超過20萬美元的成本。
藍(lán)色激光器的使用處于早期階段，因為它們剛剛在經(jīng)濟(jì)上可用。最初的應(yīng)用已經(jīng)顯示出銅合金的使用有了顯著的改進(jìn)，提供了大量的用例，這些用例要么在過去是不可能的，要么只需要花費(fèi)大量的時間和精力。
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