使用粉末床的選擇性激光熔融制造三維金屬-陶瓷多材料組件

供稿人：齊晨云,、魯中良 供稿單位：西安交通大學(xué)機(jī)械制造系統(tǒng)工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

使用粉末床的選擇性激光熔融（SLM）技術(shù)不適合直接生產(chǎn)由不同材料制成的部件或組件,。由于這一限制，在某些技術(shù)中無法使用SLM制造工藝,，比如在單個(gè)步驟中生產(chǎn)復(fù)雜形狀的部件時(shí),，將金屬導(dǎo)體與電介質(zhì)結(jié)合對(duì)于構(gòu)成小尺寸的微波部件是非常有利，但是還沒有單獨(dú)使用該工藝的解決方案,。

對(duì)此,，法國國家太空研究中心的Frédéric Veron[1]等人提出了一種預(yù)先通過化學(xué)處理活化AlSi12合金，再使用SLM技術(shù)制造出金屬與高介電常數(shù)陶瓷結(jié)合的三維結(jié)構(gòu)的方法,。鋁在空氣中易氧化,，會(huì)形成致密的氧化鋁薄膜，因此該團(tuán)隊(duì)利用這種鈍化性和鋁的氧化性,，在粉末床上通過激光熔融制造包含金屬和陶瓷區(qū)域的部件,。

實(shí)現(xiàn)方法分為兩大部分。 首先,，通過不同濃度的氫氧化鈉溶液對(duì)AlSi12合金粉末進(jìn)行化學(xué)蝕刻,。 這里的目的是轉(zhuǎn)化涂覆合金顆粒的薄保護(hù)層，使其抗氧化保護(hù)性降低,，并獲得活化后的AlSi12粉末,。 下圖表明使用氫氧化鈉溶液對(duì)合金粉末進(jìn)行處理后，初始晶粒表面上的非常精細(xì)和致密的氧化物層通過化學(xué)處理顯著改性,。 此外,，化學(xué)處理后的粉末表面層光學(xué)性能改變，粉末在SLM設(shè)備的激光波長(1070 nm)下吸光度從0.65增加到大于0.8,，有利于提高成型效率,。 氫氧化鈉進(jìn)行的處理是為了增加合金粉末的反應(yīng)性，但是合金粉末也必須保持主要的金屬性質(zhì),，熔化后,，這些粉末必須形成導(dǎo)電金屬區(qū)，因此,，活化后需要通過壓實(shí)后測(cè)試其導(dǎo)電能力,。

圖1 未處理AlSi12粉末及用不同濃NaOH溶液處理AlSi12粉末壓實(shí)顆粒的掃描電鏡圖。

第二部分是將活化的AlSi12合金粉末在SLM設(shè)備中加工,。通過對(duì)成型參數(shù)的適當(dāng)調(diào)整,，通過激光粉末床熔融制造了結(jié)合金屬導(dǎo)電區(qū)域和陶瓷介電區(qū)域的部件。

首先選擇環(huán)境空氣作為制造室的氣氛(20%氧氣和80%氮?dú)?,，設(shè)定固化層厚度為50μm,，激光束直徑約75μm,，制造金屬導(dǎo)電區(qū)時(shí)，激光功率60W,、掃描速度100 mm·s-1,、兩激光束路徑間距50μm，激光能量密度12J·mm-2,，所獲得的材料是鋁-硅金屬合金,，由于鋁的部分氧化，該金屬合金的鋁含量比起始的AlSi12粉末少,，盡管存在少量氧化物,，SLM得到的合金具有導(dǎo)電性。制造陶瓷介電區(qū)時(shí),，激光功率60W,、掃描速度1000 mm·s-1、兩激光束路徑間距1μm,，激光能量密度60J·mm-2，所獲得的材料是氧化鋁,。獲得的樣品如下圖所示,，其中和四部分是金屬，而白色部分是介電陶瓷,。介電陶瓷區(qū)域并不像主要由氧化鋁組成的材料那樣完全是白色的,，考慮到樣品中含有金屬硅，所觀察到的灰色陰影可能是由少量金屬聚集產(chǎn)生的,。

圖2由導(dǎo)電區(qū)域(黑色)和介電區(qū)域(灰色)組成的多材料零件

但是如圖3所示,，陶瓷-金屬界面不是完全光滑的，在大約200μm的厚度上可以觀察到氧化物和金屬的相互滲透,，對(duì)于這種現(xiàn)象的改善仍有待研究,。

圖3 SLM成型多材料零件中金屬區(qū)域與介電陶瓷的界面

參考文獻(xiàn)：

    Cheng B、Wei F,、Teh W 等,。 激光粉末床熔融法常壓制備無鎳高氮奧氏體不銹鋼[J]． 增材制造，2022：102810,。