供稿人：齊晨云、魯中良 供稿單位：西安交通大學機械制造系統(tǒng)工程國家重點實驗室 發(fā)布日期：2022-07-19
使用粉末床的選擇性激光熔融（SLM）技術不適合直接生產由不同材料制成的部件或組件。由于這一限制，在某些技術中無法使用SLM制造工藝，比如在單個步驟中生產復雜形狀的部件時，將金屬導體與電介質結合對于構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]等人提出了一種預先通過化學處理活化AlSi12合金，再使用SLM技術制造出金屬與高介電常數陶瓷結合的三維結構的方法。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合金粉末進行化學蝕刻。這里的目的是轉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處理顯著改性。此外，化學處理后的粉末表面層光學性能改變，粉末在SLM設備的激光波長(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性，但是合金粉末也必須保持主要的金屬性質，熔化后，這些粉末必須形成導電金屬區(qū)，因此，活化后需要通過壓實后測試其導電能力。
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設備中加工。通過對成型參數的適當調整，通過激光粉末床熔融制造了結合金屬導電區(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)，設定固化層厚度為50μm，激光束直徑約75μm，制造金屬導電區(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生的。
圖2由導電區(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