长三角G60激光联盟导读

各位激光联盟行业同仁，本期为大家推送发表于《Additive Manufacturing Frontiers》的全新仿生增材制造研究论文。高导热高反射铜材一直是激光增材制造领域的卡脖子难题，该研究借鉴植物叶片捕光微观结构，通过化学脱合金改性铜合金粉末，从粉体源头解决铜粉红外激光吸收率低、加工窗口窄的痛点，同时实现高含量纳米颗粒复合铜粉制备，为航空、热管理、电子领域铜构件低成本激光 3D 打印提供全新可规模化方案，全文机理、打印验证、仿真分析完整，适合激光选区熔化设备研发、铜基增材制造材料开发、仿生功能粉体改性方向从业者阅读参考。

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文章导读

摘要

高导热、高反射金属及其合金在增材制造中始终存在巨大加工难点，核心瓶颈为本征激光吸收率低、工艺窗口极窄。本文借鉴植物叶片高效捕光微观结构，提出一种仿生粉体表面结构化改性策略：对铜合金粉末开展化学脱合金处理，在粉体表面构建由富铜团簇与纳米多孔网络相互连接构成的多尺度分级结构。尽管粉体表面存在高反射富铜相，但该仿生多孔结构可大幅抑制近红外光反射，显著提升激光能量吸收效率。通过调控脱合金反应程度，可制备近纯铜粉末，其激光吸收率大幅提升，仅需低激光输入能量即可实现连续单道熔道打印。此外，脱合金生成的纳米孔洞可作为高体积分数纳米增强相的稳定锚定位点。该方法具备规模化制备能力，突破了金属增材制造中长期存在的激光 - 粉体能量耦合瓶颈，为高性能铜及铜基纳米复合材料提供低能耗、可持续的增材制造新路径。

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部分图文

核心创新亮点

1. 仿生设计新思路，复刻叶片捕光机制
2. 自然界植物叶片表面微凸起结构可通过多次光反射提升光能捕获效率，研究将该仿生机理迁移至金属粉体改性，通过脱合金在铜粉表面构筑微米 - 纳米多级孔洞光学谐振腔，延长激光光程、多重捕获红外激光，从粉体基底解决铜高反射固有缺陷。
3. 脱合金双梯度调控，兼顾近纯铜制备与高吸收
4. 轻度脱合金仅改造粉体表层，保留合金基体；深度脱合金可近乎完全溶出锌元素，制备纯度 96.3% 以上近纯铜粉；1064nm 商用光纤激光下粉体反射率从 59.4% 降至 47.7%，吸收性能优于氧化、纳米颗粒掺杂等传统粉体改性手段。
5. 大幅拓宽铜激光打印工艺窗口，降低设备能耗
6. 商用纯铜粉在 100–250W 激光功率下熔道断续、球化缺陷严重，仅 300W 以上才能稳定成型；经深度脱合金改性的铜粉在 150–350W 全功率区间均可成型连续平整熔道，熔道粗糙度显著下降，适配现有主流光纤激光选区熔化设备，无需更换昂贵绿光 / 蓝光激光器。
7. 多孔结构实现超高载量纳米颗粒复合
8. 常规光滑铜粉表面难以附着高含量纳米填料，脱合金生成的沟槽、纳米孔洞提供大量锚定位点，仅通过简单 V 型混粉即可实现 20wt% LaB₆纳米颗粒均匀稳定负载，解决铜基弥散强化复合材料粉体混料不均、填料易脱落行业难题。
9. 多体系通用、可规模化拓展
10. 该脱合金改性工艺不仅适用于 Cu30Zn、Cu50Zn 黄铜粉末，对 CuSn10 青铜、预氧化纯铜粉均具备改性效果；常温稀盐酸体系、简单搅拌过滤干燥流程，放大生产门槛低，适配工业粉体量产需求。
11. CFD 仿真完整揭示光热耦合机理
12. 建立 OpenFOAM 三相流体仿真模型，耦合光线追踪多重反射算法，直观证明多孔粉体内部激光多次反射提升局部能量密度，脱合金铜粉升温速度、熔池深度均显著优于光滑纯铜粉体，从数值层面阐明仿生多孔结构的吸光增熔机理。

图 1 具备增强激光吸收性能的仿生铜锌粉制备流程：(a–c) 合肥工业大学校园内拍摄的枫叶、银杏叶、梧桐叶；(d–f) 对应三种叶片表面微观形貌特征；(g) 叶片表面光合作用示意图，展示微结构的捕光作用；(h) 基于脱合金工艺改性铜锌粉末、提升激光吸收性能的完整原理图

图 2 轻度脱合金过程中 Cu30Zn 粉末宏观演变规律：(a) 随脱合金时间延长粉末颜色变化；(b) 脱合金 4h 并干燥后，原始粉末与改性粉末外观对比；(c–f) 脱合金前后结构与光学性能表征，依次为 X 射线衍射图谱、激光反射光谱、累积孔面积随孔径变化曲线、增量孔面积随孔径分布曲线

图 3 轻度脱合金 Cu30Zn 粉末微观演变及 Cu50Zn 合金通用性验证：(a、c) 脱合金前、脱合金 4h 后 Cu30Zn 粉末表面扫描电镜图；(b、d) 脱合金前、脱合金 4h 后单颗 Cu30Zn 粉末激光共聚焦形貌图；(e、g) 脱合金前、脱合金 4h 后 Cu50Zn 粉末扫描电镜图；(f、h) 对应 (e)(g) 中单颗粉末铜、锌元素能谱面分布；(i、j) (e)(g) 局部放大表面形貌；(k) 由能谱面扫描统计得到的粉末铜锌元素质量分数对比

图 4 脱合金 Cu30Zn 粉末纳米尺度结构演化特征：(a) 聚焦离子束制备薄样品的透射电镜全貌图；(b) 图 (a) 矩形区域高角环形暗场像及铜、锌元素能谱面分布图；(c、e) 图 (b) 中 P1、P2 区域放大暗场透射电镜图；(d、f) 对应 (c)(e) 区域的能谱线扫描元素含量曲线；(g) Cu30Zn 基体与富铜区域界面高分辨透射电镜图；(h、i) 图 (g) 中 P3、P4 区域快速傅里叶变换与掩膜逆傅里叶变换晶格分析图；(j–m) 脱合金前后粉末 Cu2p、Zn2p、O1s、Cl2p 高分辨 X 射线光电子能谱分峰拟合结果

图 5 脱合金制备高吸光铜粉用于金属增材制造全流程与打印性能对比：(a) 深度脱合金制备高激光吸收率铜粉仿生工艺流程图；(b) 深度脱合金后粉末扫描电镜图与铜、锌能谱面分布、截面孔隙形貌；(c) 不同激光功率下商用纯铜粉、深度脱合金粉末单道熔道共聚焦形貌与三维高度云图对比；(d) 不同激光功率下单道熔道截面高度轮廓曲线；(e) 不同功率熔道粗糙度定量统计结果（Ra：轮廓算术平均偏差，Rz：轮廓最大高度）

图 6 光滑纯铜颗粒与脱合金多孔铜颗粒激光 - 粉体交互光线轨迹、能量与温度仿真结果：(a) 激光与光滑铜颗粒作用全局光线轨迹；(b) 颗粒上表面局部光线放大图，仅存在极少反射；(c) 光滑铜颗粒激光能量沉积云图；(d) 激光与脱合金多孔铜颗粒作用全局光线轨迹；(e) 颗粒上表面局部放大，表面孔洞引发多重光线反射、光捕获效应；(f) 脱合金铜颗粒激光能量沉积云图；红色线条为入射激光，蓝色线条为反射光线；(g、h) 固定激光辐照下光滑铜颗粒、脱合金多孔铜颗粒随时间变化的温度分布与熔化演化过程

图 7 脱合金辅助制备纳米颗粒增强铜基增材制造粉末工艺与微观表征：(a) 基于轻度脱合金制备高性能纳米颗粒增强铜合金仿生工艺流程图；(b、c) 原始 Cu30Zn 粉末、脱合金 Cu30Zn 粉末表面 LaB₆纳米颗粒附着背散射扫描电镜图及硼、镧、锌、铜元素能谱面分布

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结论/展望

1. 本文受植物叶片捕光微结构启发，提出化学脱合金仿生改性策略，在铜合金粉末表面构筑多级凹凸形貌与互联纳米孔隙网络，大幅提升激光与粉体能量耦合效率，从原料端解决铜材激光增材制造高反射难题。
2. 脱合金生成的分级多孔表面可提供大量纳米锚定位点，仅通过简单机械混料即可实现 20wt% 高含量 LaB₆纳米颗粒均匀负载，为高性能弥散强化铜基复合粉末开发提供全新路径。
3. 调控脱合金反应至深度腐蚀状态，可制备铜含量 96.3% 以上的近纯铜粉末，1064nm 红外激光反射率降至 47.7%；激光单道打印试验证明，改性粉末成型工艺窗口大幅拓宽，低功率区间即可获得连续、低粗糙度稳定熔道，成型性能显著优于商用球形纯铜粉。
4. 本研究选用水雾化不规则黄铜粉末完成全部验证，即便粉体形貌未达到球形理想状态，脱合金改性带来的吸光提升与成型改善效果依然稳定可靠，证明该策略具备极强鲁棒性。后续研究将拓展至球形预合金粉末，完成全尺寸零件打印与纳米复合材料力学性能系统评测。
5. 粉体同步调控表面微观结构与基体成分的仿生改性方案，为高反射金属（铜、银等）激光增材制造长期存在的能量耦合短板提供可行解决方案，为高导热导电铜构件低成本、低能耗增材制造提供完整材料设计路线。

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