本文探讨了用于低混合电流驱动发射装置的激光粉末床融合增材制造的GRCop-84结构的分辨率和几何限制 。本文为第一部分。

摘要

激光粉末床融合(L-PBF)，也被称为选择性激光熔化TM (SLMTM)，允许增材制造低混合电流驱动(LHCD)射频(RF)发射装置的新材料，GRCop-84，Cr2Nb (8 at. % Cr, 4 at. % Nb)沉淀硬化合金，其结构是常规加工无法达到的。通过对分辨率和几何限制的测试，探索了L-PBF打印GRCop-84的局限性。在垂直和水平方向上检查印刷孔，以确定最小的冷却通道直径。内应力将垂直墙和隔垫的最小厚度限制在1毫米，较薄的墙在印刷过程中会翘曲。垂直表面的粗糙度最小，随着角度的增加，上下表面的粗糙度都增加。对于支撑良好的结构，精度一般在40 μm以内。

1. 介绍

1．1. GRCop-84增材制造的动机

GRCop-84是一种铌铬(Cr2Nb) 8 at. %Cr, 4 at. % Nb沉淀硬化(PH)合金，采用激光粉末床熔合(L-PBF)，也被称为选择性激光熔化(SLMTM)，具有优良的增材制造(AM)性能。高导热性和与Nd:YAG的耦合性差以及1030-1080 nm波长范围的光纤激光器，给传统铜合金的AM带来了挑战，如无氧铜(C10100)、铜-铬-锆(CuCrZr) (C18150)、GlidCop (C15715)。由此产生的亚单位密度需要热等静压(HIPing)来消除空洞。结果表明，14vol % Cr2Nb在低温条件下提高了对近红外激光的吸收，从而提高了材料的密度和表面粗糙度。GRCop-84打印密度超过>99.9%，表面粗糙度Ra=3-4 μm ;L-PBF纯铜的Ra=18 ~ 30 μm，密度为95%;CuCrZr纯铜的Ra=10 ~ 16 μm，密度为99.8%。最小的内部空隙在印刷GRCop-84消除印刷后的HIPing，从而简化生产。

一个HIP罐的例子。

例如，将罐体装入热炉。罐体装载粉末，振动以最大限度地填充粉末，在装载到HIP炉之前抽真空，然后密封。上图是一个典型的装载的HIP罐。

GRCop-84被选择用于DIII-D高场边(HFS)低混合电流驱动(LHCD)发射装置由于几个优势性能。L-PBFAM可以实现传统加工无法实现的集成射频结构。L-PBF GRCop-84在25℃时的屈服强度为471 MPa，抗拉强度为714 MPa，高温暴露后强度退化最小。此外，GRCop-84具有良好的导热性能，导热系数为260 W/m∙K，电阻率低，为2.5µΩ∙cm(纯Cu含量为140%)。这些特性可以在高温、高热流环境中使用，例如聚变反应堆第一壁上的LHCD发射器。

GRCop-84需要快速凝固技术来防止Cr2Nb沉淀在铜基体中生长。使用L-PBF进行气雾化粉末的固结，通过Orowan强化可以细化析出相的尺寸，从而获得优异的强度。Nd:YAG在1030 ~ 1080 nm波长范围内具有良好的吸收性能，在不需要热等静压的情况下可以制备出致密无孔洞的块状材料。GRCop-84的L-PBF AM由美国宇航局马歇尔太空飞行中心、Quadrus公司（2020年5月前正式称为联邦宇航有限责任公司）和特殊航空航天服务开发，是我们即将推出的HFS LHCD发射器、船内波导管运行和射频（RF）组件的关键使能技术，如图1所示。

图1 L-PBF打印的WR-187测试波导(a)、LHCD发射移相器(b)和极向功率分配器(c)在构建板上。照片由Quadrus公司提供。

在本文中，我们探索了L-PBF AM的局限性，以及在GRCop-84中打印精细几何时可实现的最大分辨率。利用AM测试物品，包括细针、垂直和无支撑水平孔、鳍片和悬挑，探索了分辨率限制。在不同的直径范围内，测试被无支撑顶棚塌陷堵塞的水平井眼面积和成功生产的垂直井眼面积。确定了销钉和翅片的最小可生产特征尺寸。研究了印刷角度对表面粗糙度的影响，以及机器运动引起的波纹轮廓。内应力的影响，包括弯曲，翘曲，和零件的开裂，被检查。确定了不翘曲可生产薄壁的最小厚度。对矩形波导段进行了系统的研究，以确定尺寸精度和批对批变异性。

１．２． L-PBF打印GRCop-84的前期研究

与其他方法相比，采用L-PBF的金属AM方法更受青睐，因为其固结材料的密度接近于单位，快速熔化和冷却可提高机械性能，且具有较高的尺寸精度和精度。期间L-PBF一层薄薄的金属粉分散在一个构建板块和融化的高能量密度激光在选定地区惰性气氛中,以防止氧化,随后降低构建平台,一个新图层的权力是分散的,融化到较低的层,如图4所示。

图4 AM坐标系，建立L-PBF印刷的版面布局。构建板在负Z方向缩回，而层在XY平面上巩固。粉末涂布机叶片沿氩气流动方向扫掠。分辨率测试品包括轴线与打印的Z轴对齐的垂直孔(a)和轴线铺设在XY平面上的水平孔(b)。

这个过程重复进行，直到完成所需的组件。激光功率、扫描速度、舱口间距和层厚是典型的工艺参数。由于激光功率低、扫描速度过快或扫描层厚度过大，导致粉末层加热不足，导致熔池球化，对底层熔入很少或没有熔入，而激光功率过大或扫描速度过慢，导致材料蒸发。由于相邻的空隙不能融合在一起，所以宽的空隙间距会产生孔隙度。由于粉末污染或建造室中的氧气引起的过度氧化也可能通过抑制底层的润湿而导致熔池球化。

扫描策略对层连接的影响。

虽然分层高度依赖于扫描策略(上图)，但在松散粉末上建立，形成悬垂表面，也可能导致分层、屈曲和细胞结构翘曲。这是因为与之前熔化的粉末和体积导电性相比，导热传热量显著减少。

由于相邻粉末粒子的多次散射事件，粉末能够有效吸收1060-1070 nm范围内的近红外激光，所需的功率比熔化固结材料所需的功率更低，从而允许使用Nd:YAG光纤激光器进行能量沉积。较大粒度的粉末导致分辨率较差，而较小粒度的粉末更容易团聚在一起，导致粉末输送机构中流动不良。均匀光束比等效功率高斯光束获得更宽的熔体池。采用扇形填充扫描模式，将相邻方格以棋盘状方式熔化，降低了L-PBF过程中快速加热和冷却所引起的残余应力。大多数L-PBF的文献都是关于钛合金和钢的，但GRCop-84的AM已被开发用于火箭发动机的高热流通量燃烧室。

grco -84的L-PBF打印技术由NASA马歇尔航天飞行中心(MSFC)、Quadrus公司(在2020年5月之前正式为ASRC联邦航天有限责任公司)和特殊航空航天服务公司(SAS)开发。GRCop-84打印在维斯瑟精密特种航空航天服务(SAS)的EOS M290上，而美国宇航局马歇尔空间飞行中心使用的是具有以下设置的概念激光M2：

激光功率:180w

激光扫描速度:600mm /s

层厚:30 μ m

舱口宽度:105µm

当悬垂角度小于Z轴的45°时，冷却通道的下垂被最小化。微型计算机断层扫描(μCT)扫描测量空洞内作为打印GRCop-84;99%的孔隙度位于地表以下100 μm处，集中在壳周扫描和填充孔图案之间的重叠处。散体材料，不包括面层，密度为99.9%，不需要HIPing达到全密度。更快的激光扫描速度增加了l - pbfgrcop -84体的孔隙率;HIPing降低孔隙度。LPBF印刷件外表面的粗糙部分是由于未熔化或部分熔化的粉末颗粒粘附在表面。

1．3. L-PBF几何基准和表面测量

L-PBF打印的优化需要两类分析:测试特定AM机器类型、工艺或参数设置的几何基准的生产，以及随后使用表面计量技术对生产的几何基准进行分析，以便与指定的CAD设计进行比较。几何基准和测试品评估尺寸精度，批对批再现性，表面粗糙度，和最小特征尺寸的AM零件。

插图A SLM A1Si10Mg零件的多尺度SEM显微图(如成品)。

插图B EBM Ti6AL4V零件的SEM显微图(如图所示)。(a) 45-100 μm粉末、70 μm层厚度搭建，(b) 45-100 μm粉末、50 μm层厚度搭建，(c) 25-45 μm粉末、70 μm层厚度搭建，(d) 25-45 μm粉末、50 μm层厚度搭建。

可以看出，大多数被研究的金属基AM过程是PBF系统。图A、图B显示了两种最常见的PBF工艺所生成的典型金属构件的成型表面:选择性激光熔化(SLM，见图A)和电子束熔化(EBM，见图B)。很明显，在不同的观察尺度下，存在着高度的不规则性。粉末颗粒的尺寸和几何形状影响了制备层的织构，在扫描电子显微镜(SEM)显微照片中可以清楚地看到部分熔化的颗粒。许多仪器可以配置来测量各种感兴趣尺度的表面，例如变焦仪可以选择物镜，放大率从×2.5到×100不等。这些SEM显微照片说明了选择适当的兴趣尺度、测量仪器和配置以及适当的表面纹理参数和过滤所面临的挑战。

表面纹理测量方法匹配测量技术与几何基准上AM特征分析的比较。AM允许创建复杂的几何图形;选择合适的表面测量技术，如果对表面轮廓特征和几何形状的正确验证至关重要。表面计量被分解成表面形貌的组成部分:一个表面的完整几何描述。AM表面的宏观形状或形式是“按设计”的功能特征，不包括包含表面纹理的小尺度特征，如波纹或粗糙度。表面纹理被定义为表面上的几何不规则性，不影响表面]的形状。

根据ISO 4287:1997，表面纹理分为粗糙度轮廓或波纹轮廓。粗糙度分为轮廓滤波器λs和轮廓滤波器λc之间的表面纹理，轮廓滤波器λs滤除感兴趣尺度以下的纹理，轮廓滤波器λc滤除感兴趣尺度以上的纹理。波纹度分为轮廓滤光片λc和轮廓滤光片λf之间的表面纹理，轮廓滤光片λc在粗糙度和波纹度交点以下的尺度长度上截取纹理，轮廓滤光片λf在包含表面形状或形状的波纹度以上截取波长。评估表面纹理的几何基准被设计用来研究表面纹理和方向之间的关系，这些关系涉及一系列水平、垂直和倾斜的平面。

测量技术和策略的选择必须与表面纹理中感兴趣的空间频率相匹配。当选择一种表面表征方法时，应考虑表面的尺度、特征和形状。接触式探测是最常用的技术，使用的是机械触针轮廓仪。必须仔细考虑探头和表面之间物理相互作用的性质，特别是对于存在孔隙或粘附颗粒的AM材料。表面纹理通常由ISO 4287:1997中规定的参数来表征。最常见的参数是Ra，或评估剖面的算术平均偏差，见计算式(1)，其中Z(x)是沿采样长度l在给定位移x处的剖面高度Z。

第二常见的是Rq，或评估剖面的均方根(RMS)偏差，见计算式(2)，其中Z2(x)是剖面高度Z在给定位移x沿采样长度L的平方。

在RF组件的AM中，均方根偏差Rq比平均偏差Ra更重要，因为RF损耗与具有Hammerstad模型（3）的材料的均方根粗糙度（为清晰起见，在（3）中表示为ΔRMS）和表皮深度的比率直接相关。粗糙表面Rr的有效电阻与完全光滑表面Rs的有效电阻之比（Rr和Rs是表面薄层电阻，而不是轮廓参数）是均方根表面粗糙度（ΔRMS）的函数，δ是趋肤深度，其中GRCop-84的趋肤深度为δs，Cu∼1 × 10−在4.6GHz下为6M。

为了减小Rr/Rs，从而减小射频功率损耗，RMS表面粗糙度应减小到Rq=0.34 μm以下，使损耗保持在最小值的10%以内。

非接触式方法，包括区域形貌技术，如聚焦变化显微镜或共聚焦显微镜，必须考虑表面的反射特性和深层孔隙或悬垂中的纹理阴影。二维成像方法，如光学显微镜和扫描电镜，用于定性评价表面，而三维方法，如光学三维扫描，可用于匹配特征尺寸的CAD设计。高性能x射线CT扫描是一种适合的方法来表征内部结构或孔隙度，不能接近表面测量。内部冷却通道的检查是x射线CT的理想应用;在Ti-6Al-4V合金工件的测试印刷品上观察到内部通道的形式、残留的粉末障碍和3 μm以下的孔隙率。

智能手机显微镜反射共焦成像。（A）智能手机共焦显微镜示意图；（B）和（C）体内人体皮肤的共焦图像。

反射共聚焦显微镜(RCM)已被用于在体各种皮肤疾病的成像。与生物学研究中常用的荧光共聚焦显微镜不同，RCM使用组织内部细胞结构的散射信号。由于RCM可以检查与疾病状态相关的细胞变化，而无需去除可疑病变，因此它有可能在资源不足的情况下对皮肤病进行准确、及时的诊断。然而，RCM在低资源环境下的利用具有挑战性，主要原因是设备成本高和可移植性欠佳。展示了一款基于智能手机的RCM设备。在基于智能手机的共焦显微镜(图A)中，一个衍射光栅被用来同时研究多个线场，每个线场都与特定的波长相关联。采用无扫描方式进行共焦成像，使得使用智能手机的CMOS成像传感器捕捉共焦图像成为可能。使用智能手机RCM设备，皮肤的特征细胞特征被很好地可视化(图B和C)。

各种各样的基准工件被用来评估每个AM过程的能力和限制。这些工件被归类为“几何基准”，用于测试AM工艺的几何和尺寸公差、精度、重复性和表面光洁度，“机械基准”，用于评估AM生产材料的抗拉强度和物理性能，或用于调整和优化工艺参数的“工艺基准”。几何基准通常评估一系列基本形状的几何或尺寸精度、可重复性和最小特征尺寸，包括垂直和倾斜圆柱体、平面和倾斜表面、正方形、孔、薄壁、间隙、悬挑和自由曲面，印刷在坚实的底座上，以确保刚性并最大限度地减少翘曲。大多数几何工件包括几个简单的测试特征，例如矩形或圆形孔和矩形底座上的销钉；一些工件包含一系列逐渐变小的薄壁或其他精细特征，以研究尺寸限制。

几何基准的设计可分为四类测试：外形尺寸、特征几何、特征尺寸以及特征位置和方向。外形尺寸测试在构建板的中心和角落评估的系统的精度，以评估AM过程中潜在的机器特定不均匀性。特征几何测试平面和非平面配置中无支撑结构的凹凸简单形状，以评估尺寸精度和几何公差。特征尺寸通过连续减小测试特征的尺寸来达到可行生产尺寸的下限。通过沿构建板在不同位置和方向复制测试特征，特征位置和方向访问系统空间重复性。AM工艺的典型试验特征尺寸范围是厚度最小为0.25 mm但大多数在0.5–2 mm范围内的薄壁、直径为0.5–5 mm范围内的销或圆柱体、直径最小为0.25 mm但大多数在0.4–5 mm之间的孔以及间距为0.2–3 mm的间隙或槽。

在使用Ti-6Al-4V合金研究L-PBF的过程中，开发了一种试件，包括凸圆柱体、棱柱体、球体、向上和向下的表面以及跨越一系列直径的内孔。光学3D扫描映射外部特征，而x射线CT扫描映射内部特征；与指定CAD模型的比较用于分析L-PBF精度、尺寸公差和形状偏差，如供试品的平面度和圆柱度。光学3D扫描和CT扫描测量的外部特征显示一致的精度在±100μm范围内，而内部结构的CT扫描显示基于特征尺寸的可变尺寸精度。CT和光学方法为测量外部特征提供了可比的结果。

第一个简单的LPBF基准测试。

尽管增材制造(AM)获得的几何复杂性被视为与传统工艺相比的主要优势，但AM固有的几何局限性仍然存在，并在设计指南中部分解决了。第一个AM基准工件是在1991年由Kruth9为立体光刻设计的，从那时起，已经设计了60多个几何基准来评估AM零件的尺寸或几何精度、重复性和最小特征尺寸10。这些现有的基准要么只关注少数几个特征(上图)，要么非常复杂，难以精确测量，因为特征太接近了。

使用Ti-6Al-4V合金对L-PBF进行研究，以检查EOS M270 XT和概念激光器M2可生产的最小特征尺寸，使用30μm层高和150μm阴影宽度。分析了零件精度和表面质量的基本形状，包括孔、梁元件、空心结构、壁/肋和AM特定支撑结构。检查了零件精度对构建板定位、相对于重水的方向和零件尺寸的依赖性。需要坚固的尺寸以确保零件精度；试验圆柱的直径为5mm，矩形元件的边长为5mm，0.5mm厚的壁长为10mm。在使用线切割从构建板上移除试样之前，对试样进行热处理以消除应力。表面与构建方向之间的角度越大，粗糙度越高，而在突出部分上超过临界角度，则会导致向下表面上的液滴形成增加。对于垂直角度超过50°的情况，建议使用支架；对于>80°的情况，建议使用支架。

先前的试验品一直包含简单的几何特征，如立方体、孔洞和圆柱体，以确定最小可生产特征尺寸。角度表面用于评估表面粗糙度作为构建角度的函数。几何测试工件的配置方式应能提供一个坚固的基础，以防止翘曲，并在特征之间留出足够的间距，以允许测量访问。

2. LHCD发射器制造

GRCop-84的L-PBF AM与其他AM铜合金相比具有较高的强度、高温兼容性和相对较低的表面粗糙度，因此被选择用于LHCD发射装置。如图2 (a,b)所示，每个LHCD发射模块由一个相控阵多结组成，其中一个WR-159波导馈送一个6 × 4栅格孔径。每个环形柱内的粉末被行波极向功率分配器(c)分成4种方式。极向功率分配器有内部调谐根，用于匹配等离子体表面的射频和选择功率分配器。6个环形柱之间的相移是由位于馈电波导和行波功率分配器之间的一系列移相器产生的。射频波的相移是通过缩小移相器中间的宽壁宽度引起的。由于L-PBF打印机建造体积的尺寸限制，发射段必须单独打印，并用电子束或激光焊接方法[33]焊接在一起。发射段对接焊接在一起(e)成最终组件(b)。

图2 LHCD发射装置的组件(a)是L-PBF打印的，是截面(b)，并焊接在一起成为完整的发射装置。极向功率分配器(c)是发射装置中最复杂的可重入悬垂部分。8个发射模块(a)在DIII-D tokamak (d)的高场边组装成一个阵列。

在设计用于通过传统加工技术生产的极向分离器版本中，分离器框架和盖板打印为一堆实心型材，如图1（c）所示，如图3（a–c）所示，使用CuCrZr试件或GRCop-84截面（d–f），使用线放电加工（EDM）切割成最终轮廓和厚度。极向分离器框架轮廓（a）通过电火花线切割成6 mm厚的框架（b），然后进行数控铣削，为电子束或激光焊接添加焊接细节。盖板从铜块上电火花切割成0.5 mm厚的薄板（b），并焊接到极向分离器框架（c）上。使用电子束焊接导致机架和盖板翘曲，而激光焊接消除了这种影响。

图3三种极向功率分压器的构造方法:CuCrZr或grco -84的常规加工(a-c)， L-PBF打印段，然后电火花切割、钎焊和焊接(d-f)，单片L-PBF打印，然后电火花切割到薄侧壁(g-i)。

完全由L-PBF打印产生的极向分裂器如图3 (g-i)所示，通过将内部顶部波导表面以45°角(h)倒角来从侧壁支撑顶部表面，从而使每个分裂器可以作为一个整体单元(i)打印。在这种结构中，与(a-f)中所示的版本不同，在组装前不可能对内表面进行机械抛光。这一版本需要化学或化学-机械加工在内部表面，以及修剪的侧壁厚度0.5毫米。增材制造是单片印刷的关键技术。

来源：Resolution and geometric limitations in laser powder bed fusionadditively manufactured GRCop-84 structures for a lower hybrid current drivelauncher，Fusion Engineering and Design，doi.org/10.1016/j.fusengdes.2021.112847

参考文献：Ellis, D.L. “GRCop-84: a high-temperature copper alloy forhigh-heat-flux applications.” NASA/TM 2005-213566 (2005). https://ntrs.nasa.gov/citations/20050123582.