激光增材制造技术常用金属材料激光吸收率测量*

（西安交通大学机械制造系统工程国家重点实验室，西安 710049）

激光由于其方向性、相干性好和功率高的特点，自20世纪90年代以来被广泛应用于金属切割、焊接、打孔和增材制造等加工工艺中。金属对激光的吸收率决定金属材料在加工时对激光能量的利用率，直接影响激光成形的难易程度，对激光加工的工艺参数和工艺路线的选择有参考意义。金属对激光的吸收率除了与金属材料的材料性质有关外，还取决于金属材料的温度、表面状况、表面的氧化程度、激光的偏振角、入射角和激光的波长[1-5]，而金属粉末对激光的吸收率还与粉末的形状、大小及粉末的松装比有关。对于激光而言，激光波长为532nm的绿光激光器的技术尚未成熟，现在工业领域使用较多的是波长为1064nm的红外激光。

金属的激光增材制造（Laser Additive Manufacturing,LAM）技术以激光为热源，通过激光的逐层烧结或熔化金属来制造金属零件整体,主要包括选区激光烧结（Selective Laser Sintering, SLS）技术[6-7]、选区激光熔化（Selective Laser Melting, SLM）技术[8-9]和激光近净成形（Laser Engineered Net Shaping, LENS）技术[10]。LAM自20世纪80年代初步发展以来，现已被应用于航空航天、生物和汽车制造等领域，具有广泛的应用前景。不锈钢、高温合金、钛合金是已知的较容易激光成形的金属材料，而导电能力较好的材料包括金、银、铜和铝，以及钨、钽等熔点较高的材料，随着激光器技术的发展也越来越多地应用于金属增材制造技术中[10-17]。

本文利用反射率测量装置对金属粉末和金属板材对1064nm、532nm激光的吸收率进行测量，对比金属粉末颗粒大小和形状对粉末激光吸收率的影响，测量这些常用激光金属直接成形材料的激光吸收率，对激光直接成形制造工艺研究有重要意义。

1 测量

1.1 测量装置

对某种金属材料而言，其对激光的吸收率A可表示为：

式中，T为金属对激光的透射率，R为金属对激光的反射率。

对大多数金属而言，其透射率T=0（A=1-R），因此，测得金属对激光的反射率，即可得出金属对激光的吸收率。

测量采用荷兰Avantes公司生产的反射率测量装置。如图1所示，装置由1台波长分析范围为200～1100nm 的 AvaSpec-ULS2048(L)光纤光谱仪，1 台型号为AvaLight-HAL-S-BAL能发射200～2500nm波长光谱的均衡型氘-卤钨灯光源，1台电脑和1个AvaSphere-30-REFL型号反射型积分球及其配套光纤组成。反射率测量如式（2）所示，对于探测光纤的某个像素点n而言，测量时先使用漫反射参考白板作为参考，测得参考在该像素点测得的反射光强refn，再通过测得样品Sample光照时在该像素点的反射光强samplen和无光照时的反射光强darkn，通过公式（2）即可得到样品在该像素点n的反射率Rn。通过装置自身配备的软件对探测光纤的每个像素点进行积分，并对测量次数取平均值，可得到样品随光谱波长变化的反射率值曲线。

1.2 测量方法

图1 反射率测量装置Fig.1 Schematic diagram of the laser light reflectivity measurement device

测量时，将器皿盛放的金属粉末或者是金属板材放在AvaSphere-30-REFL型号反射型积分球底部的样品口下，金属粉末或金属块与积分球下表面直接接触。测量原理如图2所示，光通过照射口进入积分球，在样品表面首先发生第一次反射，反射光在积分球内表面经过多次均匀漫反射后非常均匀地散射在积分球内部。探测光纤通过接头与积分球侧面的接口相连，该接口内部有一个挡光板，光纤只能测量到挡光板上的光，这样就不受从照射口进入光的角度影响，从而避免了第一次反射光直接进入光纤。对每个像素点的反射光强进行积分，并对测量次数取平均值，即可得到样品随光谱波长变化的反射率值曲线。

1.3 测量材料

试验测量了 Fe314、Fe901、DZ125、GH4169、H73、Cu、Al、W 以及 Ti6Al4V 粉末，Fe314、DZ125、GH4169、H73、Al、Cu、W以及Ti6Al4V金属板对激光的吸收率。

Fe314、Fe901、DZ125、GH4169、H73、Al、Ti6Al4V粉末均为球形粉末，通过气雾法制备，W粉末为近球形粉末，通过机械球磨法制备。此外，对不同粒度大小的GH4169粉末，不同球形度的Cu粉的激光吸收率进行了测量。表1列出了各种粉末材料的纯度和粒度大小值。表2为各金属板材的材料纯度大小值，金属板材都经过240#砂纸打磨并用无水酒精清洗表面的污渍，处理过后表面具备一定的粗糙度。对于形状不同的铜粉，图3（a）、3（b）分别为球形铜粉、近球形铜粉的扫描电子显微镜照片，其中，近球形铜粉的粉末球形度较差。

2 结果与讨论

图2 积分球原理示意图Fig.2 Schematic diagram of integrating sphere

表3、4分别为各粉末、金属板材对1064nm、532nm激光吸收率的测量值。可以看出，无论是粉末材料还是金属板材，对532nm激光的吸收率均大于1064nm激光的吸收率。球形铜粉的粉末对1064nm和532nm激光的吸收率比近球形铜粉的分别高12%和4%，说明金属粉末的球形度较好时，粉末对激光的吸收率更高。这可能是由于当粉末的球形度较好时，粉末颗粒排列比较规则、颗粒之间的空隙较多，激光照射在粉末上发生重复反射的几率较大，次数较多，因此吸收率也较大。铜、铝对1064nm激光的吸收率比较低，这是由材料性质决定的。材料的导电性能越好，其表面的自由电子数越多，对激光的反射率也就越高，因为只有激光频率比较接近自由电子的固有频率时激光才能很好地被吸收，而红外激光和CO2激光的激光频率与自由电子的固有频率相差较远，所以导电性能较好的材料对激光的吸收率也较差。

表1 粉末的纯度和粒度值

表2 金属块材料的纯度值

图3 不同球形度铜粉形状Fig.3 Copper powders of different sphericity

图4所示为 0～25μm、51～61μm和 88～100μm 的GH4169粉末对1064nm激光的吸收率。可以看出，粉末的粒度越大，其对激光的吸收率也越大。这是由于粉末的粒度越大，粉末之间的空隙也越多，激光就越有可能穿过表层粉末颗粒进入至里层，从而激光发生多次反射的次数也越多，因此对激光的吸收率也越高。

表3 不同粉末对激光的吸收率测量值 %

表4 不同金属板材对激光的吸收率测量值 %

图4 GH4169粉末粒度对1064nm激光吸收率的影响Fig.4 Influence of GH4169 powders diameter on 1064nm laser light absorptivity

3 结论

（1）金属粉末粒度在0～100μm时，粉末粒度越大，球形度越好，激光在粉末表面发生多次反射的可行性就比较大，粉末对激光的吸收率也越好。

（2）金属粉末和金属板材对532nm绿光激光的吸收率高于对1064nm红外激光的吸收率，尤其对铜、铝等高导电率材料而言，差异尤为明显。绿光激光器的技术发展成熟后，应用较高功率532nm绿光激光增材制造铜、铝或这些材料的合金的难度将大大减小。

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