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)機械制造系統(tǒng)工程國家重點實驗室

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，比如在單個步驟中生產(chǎn)復(fù)雜形狀的部件時，將金屬導(dǎo)體與電介質(zhì)結(jié)合對于構(gòu)成小尺寸的微波部件是非常有利，但是還沒有單獨使用該工藝的解決方案。

對此，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，會形成致密的氧化鋁薄膜，因此該團隊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AlSi12合金粉末進行化學(xué)蝕刻。 這里的目的是轉(zhuǎn)化涂覆合金顆粒的薄保護層，使其抗氧化保護性降低，并獲得活化后的AlSi12粉末。 下圖表明使用氫氧化鈉溶液對合金粉末進行處理后，初始晶粒表面上的非常精細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后測試其導(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。通過對成型參數(shù)的適當調(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%氮氣)，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，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，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：

    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。