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3D打印技術參考注意到，來自合肥工業大學和昆士蘭大學的聯合團隊，近日在銅3D打印研究方面取得一項重要進展。
他們開發出了一種銅粉末顆粒表面處理技術，顯著提升了材料對激光的吸收率。即使使用低功率的紅外激光，也可以實現“近純銅”粉末高質量打印！
在顆粒表面做仿生結構
并獲取“近純銅”
研究人員從植物葉片表面的微凸起結構能有效捕獲光線得到了靈感，他們選擇在銅粉顆粒表面創建納米多孔網絡結構，來模擬葉片的“光陷阱”，增強激光多次反射與吸收。
而這種多孔網絡結構的獲取，是通過所謂的“脫合金”技術獲取的。研究人員使用了水霧法制備的CuZn30和CuZn50粉末，在濃鹽酸中腐蝕析出Zn元素，該過程不僅使顆粒表面形成了孔隙結構，還使得顆粒表面的Cu元素含量顯著提升。
脫Zn的程度以及顆粒的網絡結構多少，可以通過粉末與濃鹽酸的作用時間來控制。以CuZn30為例，輕度脫Zn過程需要4小時。在這期間，粉末顏色變化明顯，這與成分變化相關。
由于鋅的溶解，顆粒表面銅相對濃縮，最初的金黃色粉末在1小時內迅速轉變為紅褐色。通過長時間浸沒（2–4小時），顏色演變逐漸穩定，表明表面脫Zn過程接近完成。4小時后，CuZn30粉末呈現出與純銅幾乎相同的顏色，間接反映了近表面結構和成分的顯著變化。
為進一步驗證脫Zn對相組成和顆粒表面形貌的影響，研究人員對重度脫Zn處理前后的CuZn30進行了對比分析。EDS分析發現，粉末表面的Cu含量提升至約96.3%，粉末表層及近表層已接近純銅成分；而XRD確認粉末主要由元素銅組成；SEM結果顯示，銅顆粒表面出現孔隙密集、相互連通的納米多孔網絡。
激光吸收率提升近三成
那么這種改造了顆粒形貌和成分的銅粉對激光的吸收情況如何呢？
研究人員測試了脫Zn前后的粉末反射率。文中指出，原始CuZn30對1064nm波長的紅外激光反射率為59.4%；經重度脫Zn處理后得到的“近純銅”，反射率降至47.7%，這意味著吸收率提升了28.8%。與純銅對比，這種“近純銅”對激光的吸收率，是普通純銅的5倍以上。
對于LPBF金屬3D打印來說，近三成的吸收率提升將會帶來熔化質量的改善。測試結果顯示，商業純銅粉只有在300w以上的激光功率下才能形成連續穩定的熔池，這說明其工藝窗口較窄；而重度脫Zn的“近純銅”，在100-350w的范圍內，均能形成連續穩定的單熔池，這表明其具有更寬的工藝窗口。
仿生結構對粉末-激光
相互作用的影響
在激光與粉末相互作用過程中，入射激光根據表面形態表現出不同的光學響應。對于光滑銅顆粒，入射激光主要在顆粒表面發生鏡面反射，因為銅本身反射率較高，且由于缺乏可以重新引導光線的幾何特征，反射次數有限。
相比之下，脫合金銅顆粒上微尺度的表面孔隙會引發明顯的多重激光反射和局部光線捕獲。這些表面空隙作為光學腔體，反復引導入射光線，從而增加激光能量的有效光學路徑長度和局部停留時間。因此，顆粒吸收了更多入射激光能量，從而增強能量密度并更深入粉體。
研究發現，脫合金銅顆粒的溫度遠高于光滑銅顆粒，在70微秒時達到約1400 K并開始熔融，而光滑銅顆粒的熔融則在74微秒后開始。
隨著激光照射的持續，兩種顆粒的熔融區都會增加；然而，脫合金銅的熔化深度始終比光滑銅更大。這直接反映了孔隙誘導的能量捕獲機制，有助于將能力“困”在近表面區域，加速材料熔化。
研究人員得出結論，通過加強脫合金工藝，成功制備了幾乎純凈且激光吸收率顯著提升的銅粉，拓寬了銅基粉末在增材制造中的應用范圍。
不過，筆者注意到該研究到此并未停止，他們還對這種帶有表面仿生結構的顆粒對納米顆粒的附著能力進行了研究。這是因為，納米顆粒改性已經是重要的提升激光吸收率和材料性能的手段。研究發現，相比光滑銅顆粒，多孔銅提供了豐富的錨定位點，可實現納米顆粒分散更均勻。因此，該技術也為制備高體積分數的納米顆粒增強銅基復合材料提供了新方法。
從銅3D打印的發展來看，產業端并沒有放棄紅外激光3D打印純銅這一路線。這項研究提供了一個思路，即在銅顆粒表面充分“造孔”，這雖與通常的粉末規格要求相悖，但的確是一條可以探索的高反射金屬3D打印優化路線。
內容參考：Bioinspired surface dealloying enables high-laser-absorption copper powders for additive manufacturing
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