双金属沉积能力是各种行业中使用定向能量沉积（DED）的主要原因。将多种材料组合在一个实体零件中，通过有意选择符合工件不同区域所需性能特性的材料特性，可以提高性能。组合金属越不相似，零件特性可以修改得越多，这一优势就越明显。
从历史上看，由于其反射性质，铜在DED中的使用一直受到限制。激光行业的最新进展使在DED机器中使用蓝色激光器成为可能，从而可以沉积更先进的铜合金和纯铜。
01
从覆层开始
使用红外激光器（IR=1040nm），纯铜的吸收系数仅为2%。因此，目前实际应用中多使用吸收率高的CuAl10、CuSn8、Cu18150等铜合金。尽管如此，铜的吸收率还是远低于钢。3kW以上的高功率激光器在加工铜合金时表现良好。此外，在过去几年中，铜基底的预热和利用更有效沉积角度的先进覆层策略取得了成功。
典型的应用集中在各种航天应用中，最常见的是火箭喷嘴中的铜基板上包覆铬镍铁合金。例如，图1显示了Cu18150铜基底在激光粉末床聚变（LPBF）系统（DMG MORI的LASERTEC 30 DUAL SLM，电话13522079385）上的设置，该系统夹在五轴车铣LASERTEC 3000的主轴上。铜基底是在LPBF系统上使用1kW激光器建造的，并且在外径周围增加了开放式冷却通道。3kW激光器沉积Inconel 625覆层，并相应地封闭冷却剂通道。铜的反射是制造过程中的一大挑战。
图1：LASERTEC 3000铜基底上的铬镍铁合金覆层
（图片来源：DMG MORI）
在西门子NX等五轴CAM程序中创建的先进刀具路径，可以获得如图2所示的成功结果。微观结构分析显示铜基底和铬镍铁合金之间有良好的结合。
图2：Cu18150上有一致的Inconel 625覆层
（图片来源：DMG MORI）
02
新可能性
激光工业的最新发展提供了在替代波长范围内具有更高激光功率的二极管激光器。特别是，可见光谱中的绿光和蓝光激光器直到最近才在经济上可行。图3显示了与范围在900至1070nm之间的红外激光器相比，使用波长光谱为450nm的蓝光激光器的优势。蓝色激光器（450nm）比绿色激光器（515nm）显示出进一步的进步。所有金属的能量吸收都得到了改善，其中铜的收益最为显著。
图3：基于激光源波长的能量吸收
铜在红外光谱中几乎不吸收任何光，在蓝色波长光谱中则跳跃到与镍和铁相同的吸收水平。镍在蓝色激光范围内吸收光的效率高出19%。因此，在DED工艺中沉积纯铜和诸如Cu18150的合金变得可行。
图4比较了两种合金：一种是低合金铜合金铝青铜CuAl1（1wt%的Al，>96wt%的Cu）；另一种是纯铜。使用红外激光器和蓝色激光器来沉积这两种合金。可以清楚地看到，在铝青铜上红外激光器表现良好，但在纯铜上，红外激光器则无法沉积材料。蓝色激光器在铝青铜和纯铜上都能形成一致沉积。
图4：用红外和蓝色激光器沉积CuAI1和纯铜的结果
03
火箭喷嘴
将铜和铬镍铁合金等材料结合在一起的可能性使航天工业受益匪浅。主要是为了改善推进器和火箭喷嘴等推进部件的冷却，使用铜并涂覆铬镍铁合金，以承受高压并在高温下提供高强度。
以前，火箭喷嘴是通过复杂的工艺链生产的，包括铸造、锻造、机加工、电镀和某种形式的覆层。典型的流程链延伸到不同的地点，导致长达数月的交付周期。此外，所涉及的工艺和材料非常昂贵，可能会使单个小级火箭喷嘴（Z方向约为600mm×800mm）的成本高达数十万美元。同一组件的交付周期可能长达9个月。
通过使用混合制造系统，可以在一台机器上以单一设置制造相同的部件。图5显示了DMG MORI的LASERTEC 125上制造的演示部件。在高达1250mm×790mm的零件中，铜基底和铬镍铁合金覆层逐层沉积。截面A是铜基底完全结合到铬镍铁合金覆层的视角，而截面B则沿着沉积高度垂直观察冷却通道，显示了每层铜和铬镍铁合金之间的牢固连接。
图5：火箭喷嘴需要铜基底和铬镍铁合金覆层的组合
（使用机床DMG MORI LASERTEC 125）
通过将沉积和机加工过程集成到一台机床中，与过去的几个月相比，火箭喷嘴可以在几天内制造出来。同样，也有可能大幅降低成本。考虑到粉末成本和机床购买，喷嘴的生产成本从以前的数十万美元到现在的数万美元不等。
材料质量和工艺可重复性对于采用新技术至关重要。因此，LASERTEC 125还配备了现场熔池监测、工作距离控制（部分到DED工具）、部分温度控制和粉末流量监测。
04
模具应用
使用带有蓝色激光器的混合制造系统可以实现一种全新的模具制造方式。图6显示了一个模具镶件，它是在LASERTEC 65上用蓝色激光器从头开始制作的。模芯沉积在铜中，模具镶件的表层沉积在硬度为55HRC的工具钢中。在沉积第一部分（a）时，将随型冷却水路加工到部件（b）中，这样持续几次，直到完成最后的部分（c）。
图6：具有铜芯和随型冷却水路的模具镶件
实验将模具镶件的传统设计与增材制造设计进行了比较。研究发现，模具的热性能得到了改善，因此循环时间可以减少76%。这不仅提高了生产率，而且还发现铸件具有更一致的质量，每年可节省超过20万美元的成本。
蓝色激光器的使用处于早期阶段，因为它们刚刚在经济上可用。最初的应用已经显示出铜合金的使用有了显著的改进，提供了大量的用例，这些用例要么在过去是不可能的，要么只需要花费大量的时间和精力。
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