摘要：华南理工大学、中国科学院自动化研究所多模态人工智能系统全国重点实验室、厦门大学、联赢激光的科研人员报道了同轴复合蓝光-红外激光增材制造纯铜-不锈钢多材料的熔池行为的研究。相关论文以“Melt pool behavior of pure copper-stain

长三角G60激光联盟导读

华南理工大学、中国科学院自动化研究所多模态人工智能系统全国重点实验室、厦门大学、联赢激光的科研人员报道了同轴复合蓝光-红外激光增材制造纯铜-不锈钢多材料的熔池行为的研究。相关论文以“Melt pool behavior of pure copper-stainless steel multi-materials fabricated by the coaxial hybrid blue-infrared lasers additive manufacturing”为题发表在《Journal of Manufacturing Processes》上。

由于铜的高导热性及其对红外激光的低吸收率，在激光增材制造中，铜-钢多材料结构的制备一直是一项挑战。目前，一种可行且高效的技术是利用同轴复合蓝光-红外激光定向能沉积（HL-DED）来制备铜-钢多材料。然而，复合激光定向能沉积的熔池行为仍不明确。本文系统地研究了熔池的动态行为、熔池形貌和缺陷的形成机制，以及元素偏析和微观组织分析。在纯铜单道沉积中观察到了熔池的传导模式和锁孔模式。在上述两种模式中分别普遍存在孔隙和宏观元素偏析现象。通过对高速视频帧的分析总结出了三种熔池行为，这些行为与复合激光能量密度密切相关。微观组织表明纯铜由等轴晶粒组成。复合激光获得的铜晶粒平均直径大于仅使用红外激光获得的晶粒平均直径。本研究为铜-钢多材料的增材制造提供了一种新的制备方法。

图1.（a）纯铜粉末的扫描电镜形貌，（b）粒度分布，（c）同轴蓝光-红外复合激光定向能沉积设备，（d）配备高速视频的同轴送粉示意图，（e）无激光时的粉流束。

图2.（a）至（c）分别为200W红外激光、600W蓝光激光以及复合激光（600W蓝光激光+200W红外激光）的光束轮廓，（d）展示了（a）至（c）的能量密度曲线。

图3.不同功率组合下纯铜复合激光定向能沉积（HL-DED）的高速视频成像。

图4.600W蓝光激光+0/100/200/300/400W红外激光时的高速视频帧画面。

图5.400/600/1000W蓝光激光+200W红外激光时的高速视频帧画面。

图6.采用蓝光-红外复合激光时的熔池情况。

图7.（a）400W蓝光激光+200W红外激光、（e）600W蓝光激光+200W红外激光以及（i）1000W蓝光激光+0W红外激光时整个熔池的光学显微镜（OM）图像。（b）至（d）、（f）至（h）以及（j）至（l）分别展示了从1到9指定区域的详细局部图像。

图8.（a1）至（a2）、（b1）至（b2）、（c1）至（c2）、（d1）至（d2）、（e1）至（e2）以及（f1）至（f2）分别展示了600W蓝光激光+0/200/400W红外激光、400/800/1000W蓝光激光+200W红外激光时铜和铁元素分布的能量色散谱（EDS）图。

图9.仅使用600W蓝光激光制备的单道熔池传导区的电子背散射衍射（EBSD）分析结果。

图10.使用600W蓝光激光+200W红外激光制备的单道熔池传导区的电子背散射衍射（EBSD）分析结果。

图11.不同复合激光源下熔道的形成机制：（a）蓝光激光，（b）低功率蓝光激光+低功率红外激光，（c）低功率蓝光激光+高功率红外激光，以及（d）高功率蓝光激光+高功率红外激光。

综上所述，本文研究了同轴复合蓝光-红外激光定向能沉积纯铜单道时的熔池行为。主要结论如下：

（1）明确了三种类型的动态熔池（少量飞溅、中等程度的液滴飞溅和强烈的金属蒸汽），分别对应于复合激光功率的不同组合。在粉末进入熔池之前，可以观察到粉末的加热、碰撞和粘附现象。激光的高能量密度产生了显著的反冲压力和马兰戈尼对流，导致金属汽化，并将液滴带向喷嘴方向。

（2）两种激光在光束特性和光斑尺寸上的显著差异，导致了它们在峰值能量密度上的明显不同，从而决定了蓝光激光和红外激光分别对传导区和锁孔区的几何形状起主要影响作用。熔道宽度（W值）与蓝光激光和红外激光的功率均成正比。然而，随着蓝光激光功率的增加，熔道高度（H值）略有下降，而与红外激光功率之间未观察到明显的关系。相反，熔道深度（D值）与红外激光功率呈正相关。

（3）不锈钢颗粒的转移是由反冲压力和马兰戈尼对流驱动的。偏析过程受到不锈钢与铜之间物理性质差异以及有限固溶度的影响。较高的能量密度导致冷却速率降低，从而促进了铜晶粒的生长，尽管不锈钢颗粒可能在铜上起到促进形核和偏聚的作用。

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长三角G60激光联盟陈长军转载

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来源：江苏激光联盟