中功率红外激光粉末床熔融制备高强度高导电率纯铜的工艺优化与性能研究

研究人员针对纯铜（Cu）在增材制造（AM）中因高反射率和高导热性导致的低密度问题，采用中功率（400 W）红外激光粉末床熔融（LPBF）技术，通过优化工艺参数（激光功率370 W、扫描速度400 mm/s、层厚20 μm）和细粉（5-25 μm），成功制备出相对密度达99.8%、抗拉强度323 MPa、导电率97.3% IACS的高性能纯铜，为电子和热管理部件提供了经济高效的解决方案。

　　

纯铜因其优异的导电和导热性能，在电子和热管理领域具有不可替代的地位。然而，传统制造方法难以满足复杂结构件的需求，而增材制造（Additive Manufacturing, AM）技术尤其是激光粉末床熔融（Laser Powder Bed Fusion, LPBF）为纯铜部件的直接成型提供了新途径。但纯铜的高激光反射率和导热性导致能量吸收不足，易产生孔隙和表面缺陷，制约了其AM应用。为此，新加坡南洋理工大学机械与航空航天工程学院新加坡3D打印中心的研究团队通过创新工艺设计，实现了中功率红外激光LPBF制备高性能纯铜的重大突破。

研究采用商业LPBF系统（EOS M 290）搭配400 W红外激光（波长1060-1100 nm），通过精细调控粉末粒径（5-25 μm）、薄层厚度（20 μm）及工艺参数（激光功率370 W、扫描速度400 mm/s、扫描间距70 μm），解决了纯铜在AM中的能量耦合难题。计算流体动力学（Computational Fluid Dynamics, CFD）模拟表明，细粉通过增加比表面积和多重激光散射显著提升能量吸收，熔池深度达56 μm（粗粉仅27 μm）。实验验证显示优化后的样品相对密度达99.8%，晶粒尺寸细化至4 μm，并形成20%高比例孪晶界（Twin Boundaries, TBs），兼具高强度（屈服强度236 MPa）和高导电性（97.3% IACS）。

关键技术方法

1. 粉末特性调控：选用5-25 μm高纯度（>99.9%）气雾化铜粉，平衡流动性与能量吸收；

2. 工艺参数优化：通过40组参数试验确定最佳VED（Volumetric Energy Density）；

3. CFD模拟：对比不同粒径粉末的熔池动力学，预测温度场和冷却速率（6.2×10⁶ K/s）；

4. 微观结构表征：结合EBSD（Electron Backscatter Diffraction）分析晶粒取向与孪晶分布；

5. 性能测试：采用视频引伸计测试力学性能，涡流法测量导电率。

研究结果

3.1. 熔融过程的CFD模拟

细粉熔池尺寸（68×70×56 μm）显著大于粗粉（55×58×27 μm），冷却速率提高63%，验证细粉对能量吸收的增强作用。

3.2. 工艺参数优化

表面粗糙度Sa值降至40 μm（顶面）和37 μm（侧面），过高的VED（>750 J/mm³）会因熔池不稳定导致密度下降。

3.3. 打印态微观结构

<101>取向的柱状晶与等轴晶混合组织（平均晶粒4 μm），高角度晶界（HAGBs）占比94%，孪晶界密度达20%，源于原位再结晶效应。

3.4. 力学与电学性能

高密度样品（99.8%）的硬度（98 HV）、抗拉强度（323 MPa）和导电率（97.3% IACS）均优于传统工艺，孪晶界在维持导电性方面起关键作用。

结论与意义

该研究首次实现中功率红外激光LPBF制备近全致密纯铜，通过工艺-结构-性能协同调控，突破AM纯铜强度-导电性倒置关系。相比高功率激光（1 kW）或电子束方案，该方法成本更低且兼容商业设备，为电机绕组、热交换器等复杂部件提供了产业化路径。论文发表于《Materials Chemistry and Physics》，为AM在能源器件领域的应用树立了新标杆。