În aplicațiile de management termic și conductivitate electrică, este esențial să aveți capacitatea de a fabrica piese din cupru (Cu) care sunt complet dense, conducătoare termic/conductivă și au proprietăți mecanice excelente. Fabricarea aditivă (AM) sau imprimarea 3D oferă o oportunitate fără precedent de a produce piese din Cu cu geometrii complexe. Cu toate acestea, Cu pur reflectă foarte mult laserele cu infraroșu, astfel încât piesele de Cu pur imprimate cu echipamente de fabricare a aditivilor laser utilizate în mod obișnuit tind să aibă porozitate ridicată, ceea ce le reduce conductivitatea mecanică și termică/electrică. Deși densități mari de piese de cupru pur pot fi produse de echipamente de fabricație aditivă echipate cu lasere verzi cu lungime de undă scurtă sau fascicule de electroni, rezistența scăzută inerentă a cuprului pur și incapacitatea acestuia de a rezista la înmuiere termică au împiedicat aplicarea pieselor de cupru fabricate aditiv cu laser la sarcini mecanice mari și temperaturi ridicate.
Pentru a rezolva problemele de mai sus, echipa Prof. Xingxing Zhang de la Universitatea Queensland, Australia, în colaborare cu Prof. Christopher Hutchinson de la Universitatea Monash, Prof. Julie Cairney de la Universitatea din Sydney, Prof. Miao-Quan Li de la Universitatea Politehnică Northwestern, Prof. Xiaoxu Huang de la Universitatea Chongqing, Prof. Jesper Henri Hattel de la Universitatea de Știință și Tehnologie din Danemarca și Prof. Mark Easton de la Universitatea RMIT, au lucrat împreună pentru a produce piese de cupru cu densități mari. Prof. Mark Easton, Universitatea RMIT și alte echipe au colaborat pentru a propune o strategie de proiectare pentru imprimarea 3D a cuprului de înaltă rezistență și conductivitate ridicată. Cheia strategiei de proiectare este selectarea unei particule de aditiv care este amestecată omogen cu pulberea de cupru pur pentru a se asigura că îmbunătățește absorbția laser a cuprului pur atunci când laserul interacționează cu pulberea. În plus, particulele de aditiv sunt dispersate în matricea de cupru prin dizolvarea în bazinul de topire atunci când pulberea este topită și re-precipitând în timpul solidificării, întărind astfel cuprul fără a reduce semnificativ conductivitatea termică/electrică. Criteriile de screening pentru particulele de aditiv sunt următoarele: (1) solubilitatea solidă a elementelor constitutive ale particulelor în cupru ar trebui să fie minimă pentru a minimiza efectul lor negativ asupra conductivității termice/electrice și pentru a maximiza potențialul de reprecipitare a nanoparticulelor pe solidificare; (2) particulele ar trebui să aibă un punct de topire scăzut pentru a facilita topirea lor în bazinul topit și pentru a slăbi potențialul de îngroșare a nanoparticulelor reprecipitate în timpul solidificării; (3) particulele ar trebui să aibă un punct de umectare scăzut în cuprul lichid trebuie să aibă un unghi de umectare scăzut pentru a preveni aglomerarea nanoparticulelor reprecipitate în cuprul lichid. Pe baza acestei idei de design, am constatat că hexaborura de lantan (LaB6) îndeplinește criteriile de mai sus. Prin adăugarea de urme de nanoparticule LaB6, cuprul de înaltă densitate și performanță ridicată și părțile sale complexe din punct de vedere geometric au fost realizate prin fabricarea aditivă cu laser.
Lucrarea aferentă a fost publicată în revista internațională de top Nature Communications sub titlul „Fabricarea de cupru de înaltă rezistență și conductivitate ridicată cu fuziune cu strat de pulbere laser”. Comunicatii. Dr. Yinggang Liu (acum profesor la Școala de Aeronautică, Universitatea Politehnică Northwestern) și Dr. Jingqi Zhang de la Universitatea din Queensland sunt co-primii autori, în timp ce prof. Mingxing Zhang de la Universitatea din Queensland, dr. Ranming Niu de la Universitatea din Sydney și Prof. Christopher Hutchinson de la Universitatea Monash sunt autorii corespondenți.
Imagine.
Fabricarea aditivă (AM) sau imprimarea 3D, permite fabricarea rapidă a pieselor de cupru complexe din punct de vedere geometric și are o gamă largă de aplicații în managementul termic și conductivitatea electrică. Cu toate acestea, cuprul pur este moale, în timp ce reflectivitatea ridicată la laserele infraroșu are ca rezultat de obicei piese imprimate 3D cu porozitate ridicată, ceea ce le reduce performanța. Deși fabricarea aditivă folosind lasere verzi sau fascicule de electroni poate imprima piese de cupru pur cu densități mari, rezistența scăzută inerentă a cuprului pur la temperatura camerei și incapacitatea sa de a rezista la înmuiere termică limitează aplicarea pieselor de cupru fabricate aditiv, supuse unor sarcini mecanice mari și înalte. temperaturile. Adăugarea de elemente precum Cr, Co, Fe și Zr la cuprul pur prin alierea acestuia poate crește absorbția laserului și poate întări substratul, dar această metodă reduce semnificativ conductivitatea termică/electrică a cuprului datorită solubilității ridicate a solidului în cupru. O altă abordare este adăugarea de particule externe (Al2O3, TiB2 etc.) care sunt nemiscibile cu cuprul pur pentru a întări cuprul, menținând în același timp o conductivitate termică/electrică ridicată. Cu toate acestea, în practică, din cauza aglomerării nanoparticulelor, se dovedește a fi extrem de dificil să se obțină o întărire semnificativă fără a compromite ductilitatea și toleranța la deteriorare. Ca rezultat, alierea sau adăugarea de particule externe incompatibile poate crește rezistența și îmbunătăți proprietățile de absorbție a laserului, dar de obicei duce la o scădere semnificativă a conductibilității termice/electrice și a ductilității. Imprimarea 3D a pieselor de cupru de înaltă rezistență și conductivitate înaltă rămâne o provocare presantă. .
Aici, demonstrăm o metodă de fabricație aditivă cu laser pentru prepararea pieselor de cupru de înaltă densitate și performanță prin adăugarea unei cantități mici de nanoparticule de hexaborură de lantan (LaB6) la pulberea de cupru pură prin fuziunea cu strat de pulbere laser (L-PBF). Cheia acestei metode este introducerea de particule adecvate în cuprul pur care sporesc absorbția laser a cuprului pur, urmată de dizolvarea în bazinul de topire și reprecipitarea în timpul solidificării. LaB6 a fost ales pe baza absorbției laser ridicate, conductivității electrice bune, punctului de topire scăzut și unghiului de umectare scăzut cu cuprul lichid. LaB6 are un rol dublu. În primul rând, îmbunătățește absorbția laser a cuprului pur, favorizând astfel o mai bună fuziune a pulberii. În al doilea rând, capacitatea sa de a se topi în timpul fuziunii pulberii și de a se reprecipita ulterior ca nanoparticule distribuite difuz în timpul solidificării nu numai că îmbunătățește rezistența materialului, ci și menține o ductilitate mai mare și o conductivitate termică/electrică ridicată. o limită de curgere de 346,8 MPa, de 3,7 ori mai mare decât cea a cuprului pur, precum și o ductilitate la rupere de 22,8%, 98,4% și o conductivitate termică/electrică ridicată de 1,4%.1% în greutate cupr dopat LaB6- este, de asemenea, un bun candidat pentru IACS (International Annealed Pure Copper Scheme). Conductivitate electrică IACS (International Annealed Copper Standard), o conductivitate termică de 387 W/mK și o rezistență excelentă la înmuiere la 1050 de grade, care este aproape de punctul de topire al cuprului pur. În plus, aplicabilitatea metodei la piese complexe din punct de vedere geometric este, de asemenea, demonstrată în acest studiu. Cuprul dopat LaB6-nou dezvoltat umple un gol important în imprimarea 3D a aliajelor și este potrivit pentru sarcini mecanice mari și medii cu temperaturi ridicate. Deoarece nanoparticulele dispersate uniform sunt utilizate în mod obișnuit pentru a întări materialele metalice, această strategie de proiectare a reprecipitării la topire și solidificare poate fi extinsă la alte sisteme de aliaje pentru dezvoltarea materialelor de înaltă performanță gata de imprimare.
Figura 1 Rezultatele testelor de microstructură și reflectivitate laser ale cuprului pur și dopat cu LaB6-preparat prin topirea stratului de pulbere cu laser
Figura 2 Analiza nanoparticulelor a cuprului dopat LaB6-preparat prin topirea stratului de pulbere cu laser
Figura 3 Caracterizarea elementară APT a cuprului dopat cu LaB6 preparat prin topirea cu strat de pulbere cu laser
Figura 4 Proprietățile mecanice și rezultatele testelor de conductivitate electrică ale cuprului dopat LaB6-preparat prin topirea stratului de pulbere cu laser.
Figura 5 Rezultatele testelor de compresie ale punctelor de cupru dopate LaB6 preparate prin topirea stratului de pulbere cu laser
