宋旭教授团队增材制造顶刊：激光粉末增材制造高性能细晶纯铜！

导读：纯铜具有优良的导热性和导电性，已广泛应用于许多行业。增材制造(AM)的发展使铜部件的原型制作更加快速且经济有效。特别是作为增材制造技术之一的激光粉末床熔合(LPBF)技术，现在已经可以制造具有复杂几何形状的纯铜部件了。然而，在大多数商用光纤激光增材制造机所使用的波长上，纯铜中激光能量的高反射对工业实践提出了挑战。为了解决这一问题，必须采用更高的激光功率、不同的激光波长或不同的能量源(如电子)，这可以缓解激光吸收率低的问题，但也会导致机械性能和热/电性能之间不好权衡。在目前的研究中，结合细和小层厚度的高精度LPBF (HP-LPBF)在接近退火后未热处理的情况下保持热导率和电导率，获得了优异的强度和延展性。利用小层厚和67°旋转角的扫描策略，抑制了柱状晶粒的生长，削弱了材料性能的各向异性。因此，HP-LPBF制备的纯铜在力学、热学和电学性能上都优于传统PBF制备的纯铜，各向异性降低。

随着电子和电动汽车行业的快速发展，纯铜因其较高的导热性和导电性(分别为TC和EC）而受到大量需求。增材制造(AM)或三维(3D)打印已经成为制造复杂铜组件的突破性技术，特别是在对TC和EC要求较高的应用领域，如电磁线圈，热交换器和散热器等领域。随着对多功能AMed组件的需求不断增加，开发一种AM方法来实现具有良好热/电和机械性能的多功能铜组件是至关重要的。

然而，纯铜的机械性能通常不能满足承载应用的要求。因此，为了满足强度要求，纯Cu经常被力学性能更好的Cu合金所取代，但这种合金的TC和EC通常较低。因此，在纯铜组件的3D打印中，实现高强度和高延展性，同时保持高TC和EC是非常重要的。

粉末床融合（PBF）技术是一种能够打印复杂、多尺度结构的AM技术。特别是电子束PBF (EB-PBF)过程在纯铜组分中产生较高的相对密度（RD），而不存在束流能量吸收较低的问题。然而，EB-PBF往往会导致高表面粗糙度并且打印分辨率有限（通常 > 500 µm）。此外，EB-PBF工艺中较低的冷却速度和原位退火往往会产生较大的柱状晶粒，导致屈服应力较低（YS，~70 MPa）。

相比之下，在打印具有复杂特征(高分辨率)和复杂结构的部件方面，LPBF相比EB-PBF，具有固有的优势，因为前者使用的粉末更细（<53 µm），光束尺寸比后者更小。传统的LPBF (cLPBF)工艺通常采用的束流尺寸为50-200 μ m，层厚为20-50 μ m，粉末尺寸为15-53 μ m。然而，由于纯Cu具有较高的TC和红外激光反射率，使用这种配置很难制备出综合(机械、热、电)性能良好的纯Cu组件。此外，cLPBF制备的组件通常含有缺乏熔合缺陷，其RD较低，低于99%，导致组件TC和EC较低。

在本文中，香港中文大学宋旭教授联合香港理工大学的研究人员们对此进行了研究，采用HP-LPBF制备了综合性能良好的纯铜样品(YS > 200 MPa，伸长率~40%，TC ~ 383w /m·K, EC为IACS的96%)。67°的旋转扫描策略使打印样品具有细晶粒和扭曲的GB，因此各向异性较低。这些确保了 HP-LPBF 制造的纯铜部件比传统PBF制造的的组件具有更好的机械、热和电气性能。这种HP-LPBF方法可以很容易地扩展到其他反光金属的增材制造中，以获得许多新颖和有前景的应用。相关研究成果以题为Anisotropic material properties of pure copper with fine-grained microstructure fabricated by laser powder bed fusion process发表在Additive Manufacturing上。

链接：https://doi.org/10.1016/j.addma.2022.103082

本研究采用高精度LPBF (HP-LPBF)系统制备纯Cu样品。该系统采用25 μ m的激光束，10 µm 的层厚和 5–30 µm 的粉末尺寸。至关重要的是，在HP-LPBF中，光束尺寸的减小会增加激光能量的集中，从而降低维持给定的体积能量密度所需的激光功率；层厚度的减小提高了层间重熔过程的效率；粉末尺寸的减小增加了激光能量的吸收。通过结合这三种特性，HP-LPBF可以同时制备高分辨率、低粗糙度、高密度的纯Cu样品。此外，与cLPBF相比，HP-LPBF能获得更细的晶粒，细晶粒组织有利于Cu样品的制备，因为脉冲电沉积纯Cu样品由于细晶粒强化而表现出高强度和高导电性。因此，为了获得更高的综合性能，应采用HP-LPBF技术对纯Cu样品进行印前微细晶粒组织的制备。

经LPBF处理的组件往往表现出晶粒取向相关的特性，且组件的晶粒取向与其构建方向(BD)密切相关。在连续逐层的LPBF制备过程中，热梯度方向近似于BD方向，这不可避免地导致织构微结构和各向异性材料特性。这一现象使AM设计过程复杂化，因为在设计阶段必须考虑材料的各向异性。当下，有许多研究探究了LPBFed金属组分的各向异性显微结构和性能。Thomas等学者研究了EB-PBFed纯Cu组分的各向异性，发现它们的电学性能、YS和延性几乎是各向同性的，而它们的加工硬化行为取决于它们的织构和BD，因为在EB-PBF过程中的原位退火导致了显著的晶粒长大。通过对其他金属材料的研究，纯Cu组分的各向异性可以归结为外延生长产生的长柱状晶粒。此外，虽然含有少量晶界的大晶粒组分比含有大量晶界的小晶粒组分的各向异性较低，但前者的强度较后者弱。因此，纯Cu组件必须采用原位细化晶粒的工艺来制备，并且要抑制长而细的柱状晶粒的形成。

图 1 纯铜粉的表征。(a) 纯铜粉的 SEM 形貌。(b)粒度分布。

图 2 样品制造和测量中的定义。(a) 0°/45°/90° 方向的印刷散装样品，(b) 建筑平台上的测试样品布局，(c) 各种测试样品的尺寸规格。

图 4 HP-LPBFed 纯铜样品的微观结构表征。（a-c）不同放大倍率和位置的印刷样品的形态，（d-f）A67样品的侧面，（g-i）A67样品的顶面，（j-l）A0样品的侧面。(d, g, j) OM 图像，(e, h, k) EBSD 晶粒取向图和 (f, i, l) GB 分布图。(m) 代表性 IPF 图，(n) 印刷纯铜样品的晶粒尺寸分布，(o)印刷纯Cu样品的GB长度密度和HAGB/LAGB分数。

图 5 A67 和 A0 的晶粒形态表征。(a) 线性 GB 密度；(b) 晶粒尺寸和纵横比；(c-d) (c) A67 和 (d) A0 样品的代表性晶粒形态。

图 6 HP-LPBF制造的纯 Cu A0 和 A67 样品的性质。(a) 工程应力-应变曲线；(b) 真实应力-应变曲线；(d) 标准化加工硬化率；(e) 瞬时加工硬化指数；(c- f)样品方向为 0°、45° 和 90° 的各向异性比（0° 时的各向异性比 = 1）；(g) 0°、45° 和 90° 样品方向的显微硬度；(h) 样品取向为 0°、45° 和 90° 的各向异性比（取向 0° = 1 的各向异性比）；(i) 不同方向的热和电特性。

图 7 晶粒尺寸对印刷后的纯铜样品 HP-LPBF拉伸性能的影响。(a) 使用不同的加工参数值制造的样品的典型拉伸应力-应变曲线，并表现出不同的晶粒尺寸；(b) HP-和 HS-A67 样品的 IPF 图。（c-f）通过 SEM 在不同放大倍率下观察到的样品的断裂形态。

图 8 Schmid 因子分布和样本的平均 Schmid 因子。(a) A67–0°, (b) A67–45°, (c) A67–90°, (d) A0–0°, (e) A0–45°, (f) A0–90°。

图 9 铜的 XRD 曲线和衍射图案的威廉姆森霍尔图。

图 10 (a) A67 样品的侧面、(b) A67 样品的顶面、(c) A0 样品的侧面和 (d) 相应样品上的 GND 密度分布的 GND 图。

HP-LPBF采用25 µm精细激光束和10 µm层厚，实现了纯铜的高综合性能，具有良好的导热/导电性和机械性能。通过旋转层间扫描方向，减小了晶粒纵横比，提高了力学性能，同时减弱了材料的各向异性。细粒度约为 5 µm 归因于 HP-LPBF 形成的较小熔池。印刷零件的电气和热性能在退火条件下接近商业纯铜。总体而言，HP-LPBF 制造的纯铜的综合性能优于其他 PBF 技术，在电磁学和热管理等许多令人兴奋的应用中具有巨大潜力。

图 11 HP-LPBF 与其他 PBF 工艺获得的纯铜的比较。(a) UTS 与断裂伸长率；(b) EC 与 YS。