互联网网站设计,国家工程项目查询公示平台,成都游戏外包公司排名,重庆网站备案必须到核验点大家好#xff0c;今天我们来了解一篇金属增材制造文章——《High absorptivity nanotextured powders for additive manufacturing》发表于《Science Advances》。金属增材制造在医疗、航空航天等领域#xff0c;它潜力巨大#xff0c;但目前可打印的金属材料有限#xff… 大家好今天我们来了解一篇金属增材制造文章——《High absorptivity nanotextured powders for additive manufacturing》发表于《Science Advances》。金属增材制造在医疗、航空航天等领域它潜力巨大但目前可打印的金属材料有限像铜、钨等金属的打印就面临诸多挑战。为解决这些问题科学家们进行了深入研究发现通过对金属粉末进行蚀刻引入纳米纹理能提高粉末的吸收率从而拓展可打印材料的范围提高制造的光热效率和打印质量。这一发现为金属增材制造带来了新的突破让我们一起来详细了解一下吧。
*本文只做阅读笔记分享*
一、引言
金属增材制造AM在众多领域具有广泛应用潜力但目前可靠打印的材料有限高反射率和难熔金属的自由形式打印受到粉末原料光热性质的限制。例如铜、银及其共晶合金在近红外的低吸收率和高热扩散率以及钨的高导热性和高熔点都给增材制造带来了挑战。 二、研究背景与现状
现有方法的局限性
改变材料属性通过添加纳米颗粒等添加剂来改变材料的凝固和再结晶虽能实现一些金属的打印但可能会影响材料的其他性能如铜的导电性降低或出现凝固裂纹等。 修改仪器参数使用高功率红外LPBF系统或高功率绿色激光系统来提高激光吸收功率但存在损坏光学组件、成本高昂等问题。 其他方法预加热技术常用于处理难熔金属但可能需要将基板预热到1000°C且在高能量密度电子束系统中效果最佳。 当前研究的空白
目前没有一种方法能在不合金化或使用添加剂的情况下通过修改粉末原料来提高粉末的吸收率、动力学或打印质量。
三、实验过程与结果
3.1 蚀刻产生纳米表面结构
实验过程
材料与试剂使用两种铜粉末LPW/Carpenter Additive99.95%纯度LLNL99.99% 纯度、Eutectic AgCuLPW/Carpenter Additive28.1 wt% Cu和71.9 wt% Ag和平均直径为45μm的纯W粉末Tekna。蚀刻铜和AgCu粉末时使用FeCl₃、HCl和乙醇的溶液蚀刻钨粉末时使用30% H₂O₂。
蚀刻步骤以铜粉末为例对于购买的铜粉末LPW Technology Ltd.先在250ml 锥形瓶中加入25 ml乙酸蚀刻粉末表面的原生氧化铜层5分钟然后加入100 ml FeCl₃蚀刻溶液在400 rpm下搅拌 1、5 或 10 小时随后静置5分钟弃去FeCl₃溶液用新鲜乙醇清洗粉末八次直至溶液清澈最后将粉末倒在培养皿中干燥5小时并用 75 μm 筛网筛分。
结果展示
表面形貌变化SEM图像显示随着蚀刻时间的增加铜粉末表面从光滑逐渐变得粗糙。初始时表面光滑1小时蚀刻后开始出现均匀粗糙度5小时蚀刻后晶界蚀刻明显出现大量蚀刻晶界10小时蚀刻后晶界高度可见表面出现约100 nm的立方结构。 放大图像显示粉末表面特征尺寸随着蚀刻时间增加而变大表面逐渐变得更粗糙。 AgCu和W粉末也有类似的变化。 蚀刻速率计算通过计算Cu05纳米断层扫描结果的有效体积蚀刻速率估计有效体积蚀刻速率为11μm³/小时。对于特定粉末颗粒计算出前5小时的有效表面深度蚀刻速率约为 71nm/小时。 3.2 纳米纹理表面增加粉末吸收率
实验过程
实验装置构建定制量热实验装置安装在商业金属3D打印机Aconity Mini 3D的构建板上。打印机配备200W和1070 nm掺镱光纤激光器使用C10100纯度99.99%的铜基板加工成2mm厚度带有4mm×4mm×50μm的凹陷区域用于填充铜粉末进行量热实验。
实验参数在激光功率为175 W和两种扫描速度100和656mm/s下对每种粉末类型进行至少三次实验。
结果展示
吸收率测量纳米纹理粉末的吸收率相比购买的粉末有所提高。在较慢的扫描速度 100mm/s下Cu00 粉末的吸收率为0.172Cu01、Cu05和Cu10蚀刻粉末的吸收率分别为0.292、0.286和0.272在较快的扫描速度656mm/s下Cu00粉末的吸收率为 0.219蚀刻粉末的吸收率相应为 0.272、0.372 和 0.278。AgCu和W也表现出吸收率增强因子W从0.45增加到0.58。 机理分析EM 波模拟表明纳米纹理表面增强吸收率的原因是表面沟槽中的等离激元共振和光集中增强了光-物质相互作用。对1070 nm波长入射平面波模拟场分布显示某些沟槽提供了强近场强度并促进局部吸收。 单个蚀刻粒子的平均吸收增强因子为1.8与测量值1.7一致。进一步分析发现吸收增强与沟槽尺寸有关较高的沟槽在亚波长宽度时吸收增加Cu10粉末由于Cu再沉积导致表面沟槽较浅从而吸收率下降。此外Cu05粉末表面的宽沟槽可支持更高阶的表面等离子体共振进一步提高了吸收。 射线追踪模拟显示单个蚀刻粒子的吸收率增强对粉末床吸收率的影响与粉末床颗粒尺寸分布有关在双峰分布的粉末中吸收率提高更快。 3.3 纳米纹理粉末在低功率下表现出更好的打印性能
实验过程
打印设备使用低体积定制的LPBF系统配备1070nm波长的掺镱光纤激光器最大功率为1kW。
打印参数打印不同粉末系统的6 mm直径圆柱体激光功率范围为100-500 W激光扫描速度为300和600mm/s层尺寸和影线间距分别为50和80μm构建腔室氧浓度小于100 ppm。
结果展示
相对密度测量在最低能量密度83J/mm³下蚀刻粉末相比购买的粉末能提高相对密度。例如在100W和300mm/s的扫描条件下Cu10粉末打印的密度为0.926测量误差 ±0.004而Cu00粉末为0.856±0.003Cu05粉末的相对密度为0.870±0.005。当能量密度超过200J/mm³时所有打印的相对密度都收敛到约0.98-0.99。 纳米断层扫描和SEM图像显示在低功率下纳米纹理粉末的相对密度可能会有更多波动。 打印结构展示纳米纹理粉末能用于打印包括50mm 长的三重周期最小表面等结构AgCu 结构可在稍高能量密度下打印打印的W结构硬度为5GPa且能量密度低于其他方法。 四、讨论
表面纳米纹理的自我演变铜粉末在蚀刻过程中经历均匀蚀刻、晶界蚀刻和再沉积三个主要阶段。蚀刻过程中FeCl₃溶液通过两个反应剥离铜粉末表面的铜形成CuCl₂CuCl₂进一步作为二次蚀刻剂与粉末表面的铜形成2CuCl。在5-10小时的进一步处理中粉末表面会重新沉积立方纳米晶体且不改变原料成分。通过计算可知100g平均粒径为30μm的粉末在10小时蚀刻过程中约有0.86g的Cu可用于在100ml蚀刻溶液中形成1.3g的CuCl这与HCl中CuCl的溶解度极限一致支持了再沉积形成立方结构的机制。 自我演变的表面纳米纹理改变原位激光-粉末相互作用所有纳米纹理粉末的吸收率都相对提高通过在金属表面引入沟槽来增强光吸收的方法对高导电性金属如Ag、Cu和 W具有普遍性但每种材料的沟槽特性需要一次性优化。对于Cu05粉末吸收率增强的原因一方面是表面纳米沟槽提供了高吸收率区域另一方面是宽沟槽支持更高阶的表面等离子体共振。而W粉末由于表面纳米结构更对称吸收率增强效果相对较微妙可能的机制包括局部电场强度和残余氧化钨中的等离子体模式等但具体机制需要进一步研究。射线追踪模拟表明通过纳米纹理改善单颗粒吸收可以更快地提高非均匀如双峰分布粉末床的吸收率。 纳米纹理粉末实现打印增强的纳米纹理粉末固有吸收率可提高打印质量可能的机制包括减少熔合缺陷等。在打印过程中激光不仅入射到熔池上还会入射到来自剥蚀区的粉末颗粒上这些粉末颗粒可能会因吸收散射的激光而熔化而纳米纹理粉末增强的吸收率有助于提高打印质量但具体贡献需要专门的实验和计算研究。 五、结论
本研究通过蚀刻工艺制备了改性金属粉末原料提高了粉末的吸收率。纳米纹理表面通过等离激元共振和光集中以及多次散射事件增强了粉末的吸收率。纳米纹理粉末在低能量密度下能够实现更好的打印性能可用于打印高纯度铜和钨金属结构。这种方法为扩展可打印材料的范围提供了一种通用的途径同时提高了制造中的光热效率和打印质量。
六、一起做题
1、金属增材制造AM目前的应用受到限制主要是因为
A. 可打印的材料范围小
B. 打印成本高
C. 打印设备复杂
D. 打印速度慢
2、为了使铜能够打印过去常采用的方法不包括
A. 添加纳米颗粒
B. 使用高功率红外 LPBF 系统
C. 改变铜的表面形态
D. 预加热
3、本文中开发的蚀刻过程用于生产
A. 高纯度金属粉末
B. 改性金属粉末原料
C. 合金粉末
D. 纳米颗粒
4、经过蚀刻的铜粉末表面经历的阶段不包括
A. 氧化
B. 均匀蚀刻
C. 晶界蚀刻
D. 再沉积
5、纳米纹理粉末提高吸收率的主要原因是
A. 表面沟槽中的等离激元共振和光集中
B. 粉末颗粒变小
C. 粉末的化学成分改变
D. 增加了添加剂
6、纳米纹理粉末在低功率下打印的优势不包括
A. 提高相对密度
B. 降低能量消耗
C. 减少打印缺陷
D. 提高打印速度
7、文章中验证纳米纹理粉末吸收率提高的实验是
A. 打印实验
B. 蚀刻实验
C. 量热实验
D. 射线追踪实验
8、纳米纹理粉末对打印质量的影响机制主要是
A. 增强的吸收率减少熔合缺陷
B. 改变了粉末的流动性
C. 降低了粉末的熔点
D. 提高了粉末的硬度
9、本文中用于研究纳米纹理粉末特性的方法不包括
A. 纳米和微观 X 射线断层扫描
B. 电子显微镜观察
C. 射线追踪模拟
D. 拉伸实验
10、关于钨粉末的蚀刻下列说法正确的是
A. 使用 FeCl₃、HCl 和乙醇的溶液
B. 使用 30% H₂O₂
C. 蚀刻时间为 5 - 10 小时
D. 产量约为 90% 参考文献
Tertuliano OA, et al. High absorptivity nanotextured powders for additive manufacturing. Sci Adv. 2024 Sep 6;10(36):eadp0003.
