铜合金具有高导热性和自润滑性能，非常有利于在确保导热性的前提下提高铝合金表面的耐高温性和耐磨性。因此，铜合金是铝合金表面熔覆的首选材料。但是，铝合金和铜合金对传统的1064nm波长的红外激光的吸收率极低，分别只有为∼7%和∼5%。

使用低功率进行熔覆时，能量输入不够，粉末不能完全熔化。

1-2德国在这方面的进展

2019年，德国激光器厂商Laserline的Simon等人通过实验证明，1000瓦的蓝色激光在光斑直径为2mm的情况下，仍然不能在铜基板上熔化纯铜合金。

红-蓝混合激光可以克服蓝色激光器的低功率密度和大功率红外激光的不稳定性性问题，有望实现高反射率材料的高效熔覆或SLM增材制造。实际上，德国激光器厂商Laserline的Simon等人，在红-蓝混合激光熔覆纯铜方面做过一些研究，但缺乏相关的微观结构和缺陷分析。

我国的上海交通大学在这个基础之上，系统的研究了蓝光、红光和红-蓝混合激光在铝基材上熔覆纯铜时的熔池稳定性、熔池尺寸和熔覆层的微观结构。讨论了不同激光的成形机理。为红-蓝混合激光在高反射率材料（如铜、金、铝等）的增材制造应用研究奠定了理论基础。

（1）熔覆实验是在深圳市联赢激光股份有限公司的UW-B4310M高功率红外-蓝光混合激光器上进行的，它由一个连续的3000W（1064nm）红外激光器、一个1000W（450nm）蓝光激光器和一套控制软件组成。

（2）红外激光器发射高斯光束，光斑大小为2.4mm。蓝色激光器发射平顶光束，光斑大小为1.75mm。

（3）平顶光束通过光束整形技术获得。

（4）两个激光束的轴线在空间上重叠。

（5）在实验中，气体雾化纯铜粉的尺寸分布范围为50至150μm，其平均尺寸为120.5μm。纯铜粉的氧含量被控制在0.013wt%以下。

（6）使用的基材是AlSi7Mg合金，名义化学成分（wt.%）为6.85Si，0.02Fe，0.03Cu，0.28Mg，0.03Mn，0.01Zn，0.03Ti，Al（Balance）

（7）预设粉末层厚度1mm。

（8）在不同的激光源下，开展单道实验。实验参数见下表，其中所有样品的扫描速度（v）为60毫米/秒。

（9）所有的实验都是在氩气的保护下进行的。氩气的流量为15升/分钟。（10）在熔覆过程中，使用了一台Revealer® X113 CMOS高速摄像机来观察熔池，其采样频率为6800 fps（帧/秒）。

（4）小结论：红外激光器的能量密度过高或过低不适合在AlSi7Mg衬底上覆纯铜合金。虽然可以在1000瓦时获得无缺陷熔覆单道，但低激光功率限制了沉积效率。

（2）AlSi7Mg基板上纯铜单道的球化现象很明显，表明蓝色激光器的能量输入严重不足。

（2）与红外激光样品相比，混合激光样品的截面和纵截面的尺寸更大，样品中的孔洞缺陷（20-50微米）明显缩小。

（1）随着纯红外激光功率从200瓦增加到2600瓦，一次枝晶臂间距（PDAS）从0.71微米增加到1.43微米。

（2）在红外-蓝色混合激光源下，随着红外激光功率从200瓦增加到2600瓦，PDAS从1.56微米增加到2.42微米。

在红外激光熔覆过程中，由于金属蒸汽造成的剧烈后坐压力，形成了明显的飞溅、液滴和凹陷区。随着激光向前移动，这些凹陷会闭合并演变成空腔，恶化样品的力学性能。

当使用同轴红外-蓝色混合激光器时，熔池周围的颗粒飞溅大大减少，熔池的球化现象消失。

（1）当使用红外激光器时，在高功率密度条件下会产生一个钥匙孔。钥匙孔的内壁通过多次反射和吸收显著提高了激光的总吸收率。

（4）总之，红外激光器下高反射率材料之间的熔覆过程非常不稳定，很容易形成气孔和飞溅。

（1）蓝色激光的作用下没有钥匙孔，总吸收率仍为65%，吸收率没有大的波动。

（4）不幸的是，蓝色激光器的功率密度不足以完全熔化粉末，导致严重的球状现象。

（4）总之，混合激光器在铝基板上熔覆纯铜时有高稳定性、缺陷更少和更大的熔池尺寸等优点。

（3）引领全球增材制造技术的德国弗劳恩霍夫实验室（Fraunhofer）的官网有这么一张图，描述的是增材制造技术未来的发展脉络及我们目前所处的阶段。无疑，增材制造技术已经来到了简单工业应用到广泛接受和大规模工业应用的历史交汇点，SLM等技术本身带来的商业价值还会进一步爆发，但我们也要意识到，这些技术很快会达到瓶颈。光束整形（激光束整形：SLM的未来）、面曝光（区域打印 或将颠覆SLM）、绿光、蓝光、混合光、飞行打印（飞行打印）等新型技术，都有可能是引发下一次技术跳跃的契机。这个行业和这个世界一样，发展的太快了。不学习进步的企业和步伐慢的企业，终将被历史洪流淘汰，成为一朵曾经澎湃的浪花。

参考文献：