纯铜3D打印：粉末处理新技术，显著提升激光吸收率！

3D打印技术参考注意到，来自合肥工业大学和昆士兰大学的联合团队，近日在铜3D打印研究方面取得一项重要进展。

他们开发出了一种铜粉末颗粒表面处理技术，显著提升了材料对激光的吸收率。即使使用低功率的红外激光，也可以实现“近纯铜”粉末高质量打印！

在颗粒表面做仿生结构并获取“近纯铜”

研究人员从植物叶片表面的微凸起结构能有效捕获光线得到了灵感，他们选择在铜粉颗粒表面创建纳米多孔网络结构，来模拟叶片的“光陷阱”，增强激光多次反射与吸收。

而这种多孔网络结构的获取，是通过所谓的“脱合金”技术获取的。研究人员使用了水雾法制备的CuZn30和CuZn50粉末，在浓盐酸中腐蚀析出Zn元素，该过程不仅使颗粒表面形成了孔隙结构，还使得颗粒表面的Cu元素含量显著提升。

脱Zn的程度以及颗粒的网络结构多少，可以通过粉末与浓盐酸的作用时间来控制。以CuZn30为例，轻度脱Zn过程需要4小时。在这期间，粉末颜色变化明显，这与成分变化相关。

由于锌的溶解，颗粒表面铜相对浓缩，最初的金黄色粉末在1小时内迅速转变为红褐色。通过长时间浸没（2–4小时），颜色演变逐渐稳定，表明表面脱Zn过程接近完成。4小时后，CuZn30粉末呈现出与纯铜几乎相同的颜色，间接反映了近表面结构和成分的显著变化。

为进一步验证脱Zn对相组成和颗粒表面形貌的影响，研究人员对重度脱Zn处理前后的CuZn30进行了对比分析。EDS分析发现，粉末表面的Cu含量提升至约96.3%，粉末表层及近表层已接近纯铜成分；而XRD确认粉末主要由元素铜组成；SEM结果显示，铜颗粒表面出现孔隙密集、相互连通的纳米多孔网络。

激光吸收率提升近三成

那么这种改造了颗粒形貌和成分的铜粉对激光的吸收情况如何呢？

研究人员测试了脱Zn前后的粉末反射率。文中指出，原始CuZn30对1064nm波长的红外激光反射率为59.4%；经重度脱Zn处理后得到的“近纯铜”，反射率降至47.7%，这意味着吸收率提升了28.8%。与纯铜对比，这种“近纯铜”对激光的吸收率，是普通纯铜的5倍以上。

对于LPBF金属3D打印来说，近三成的吸收率提升将会带来熔化质量的改善。测试结果显示，商业纯铜粉只有在300w以上的激光功率下才能形成连续稳定的熔池，这说明其工艺窗口较窄；而重度脱Zn的“近纯铜”，在100-350w的范围内，均能形成连续稳定的单熔池，这表明其具有更宽的工艺窗口。

仿生结构对粉末-激光相互作用的影响

在激光与粉末相互作用过程中，入射激光根据表面形态表现出不同的光学响应。对于光滑铜颗粒，入射激光主要在颗粒表面发生镜面反射，因为铜本身反射率较高，且由于缺乏可以重新引导光线的几何特征，反射次数有限。

相比之下，脱合金铜颗粒上微尺度的表面孔隙会引发明显的多重激光反射和局部光线捕获。这些表面空隙作为光学腔体，反复引导入射光线，从而增加激光能量的有效光学路径长度和局部停留时间。因此，颗粒吸收了更多入射激光能量，从而增强能量密度并更深入粉体。

研究发现，脱合金铜颗粒的温度远高于光滑铜颗粒，在70微秒时达到约1400 K并开始熔融，而光滑铜颗粒的熔融则在74微秒后开始。

随着激光照射的持续，两种颗粒的熔融区都会增加；然而，脱合金铜的熔化深度始终比光滑铜更大。这直接反映了孔隙诱导的能量捕获机制，有助于将能力“困”在近表面区域，加速材料熔化。

研究人员得出结论，通过加强脱合金工艺，成功制备了几乎纯净且激光吸收率显著提升的铜粉，拓宽了铜基粉末在增材制造中的应用范围。

不过，笔者注意到该研究到此并未停止，他们还对这种带有表面仿生结构的颗粒对纳米颗粒的附着能力进行了研究。这是因为，纳米颗粒改性已经是重要的提升激光吸收率和材料性能的手段。研究发现，相比光滑铜颗粒，多孔铜提供了丰富的锚定位点，可实现纳米颗粒分散更均匀。因此，该技术也为制备高体积分数的纳米颗粒增强铜基复合材料提供了新方法。

从铜3D打印的发展来看，产业端并没有放弃红外激光3D打印纯铜这一路线。这项研究提供了一个思路，即在铜颗粒表面充分“造孔”，这虽与通常的粉末规格要求相悖，但的确是一条可以探索的高反射金属3D打印优化路线。

内容参考：Bioinspired surface dealloying enables high-laser-absorption copper powders for additive manufacturing

注：本文由3D打印技术参考创作，未经授权，谢绝转载。#铜 #3D打印