В приложениях терморегулирования и электропроводности крайне важно иметь возможность производить детали из меди (Cu), которые являются полностью плотными, обладают высокой теплопроводностью/проводимостью и имеют превосходные механические свойства. Аддитивное производство (АП), или 3D-печать, предоставляет беспрецедентную возможность производить медные детали сложной геометрии. Однако чистая медь хорошо отражает инфракрасные лазеры, поэтому детали из чистой меди, напечатанные с помощью широко используемого оборудования для лазерного аддитивного производства, имеют тенденцию иметь высокую пористость, что снижает их механическую и тепловую/электрическую проводимость. Хотя детали из чистой меди могут быть изготовлены с высокой плотностью при помощи оборудования для аддитивного производства, оснащенного коротковолновыми зелеными лазерами или электронными лучами, присущая чистой меди низкая прочность и ее неспособность противостоять термическому размягчению препятствовали применению медных деталей, изготовленных с помощью лазерного аддитивного производства, при высокие механические нагрузки и высокие температуры.
Для решения вышеуказанных проблем команда профессора Синсин Чжана из Университета Квинсленда, Австралия, в сотрудничестве с профессором Кристофером Хатчинсоном из Университета Монаш, профессором Джули Кэрни из Сиднейского университета, профессором Мяо-Куан Ли Профессор Сяосюй Хуан из Северо-Западного политехнического университета из Университета Чунцина, профессор Йеспер Анри Хаттель из Датского университета науки и технологий и профессор Марк Истон из Университета RMIT работали вместе над производством медных деталей с высокой плотностью. Профессор Марк Истон из Университета RMIT и другие команды совместно предложили стратегию разработки 3D-печати высокопрочной и высокопроводящей меди. Ключом к стратегии проектирования является выбор частицы добавки, которая однородно смешана с порошком чистой меди, чтобы гарантировать усиление лазерного поглощения чистой меди при взаимодействии лазера с порошком. Кроме того, частицы добавки диспергируются в медной матрице путем растворения в ванне расплава при плавлении порошка и повторного осаждения во время затвердевания, таким образом упрочняя медь без значительного снижения ее тепло/электропроводности. Критерии отбора частиц добавки следующие: (1) растворимость составляющих элементов частиц в меди в твердом состоянии должна быть минимальной, чтобы свести к минимуму их неблагоприятное влияние на тепло/электропроводность и максимизировать вероятность переосаждения наночастиц при затвердевание; (2) частицы должны иметь низкую температуру плавления, чтобы облегчить их плавление в ванне расплава и ослабить возможность укрупнения переосажденных наночастиц во время затвердевания; (3) частицы должны иметь низкую точку смачивания в жидкой меди, должны иметь низкий угол смачивания, чтобы предотвратить агломерацию переосажденных наночастиц в жидкой меди. Основываясь на этой конструктивной идее, мы обнаружили, что гексаборид лантана (LaB6) соответствует вышеуказанным критериям. Путем добавления незначительных количеств наночастиц LaB6 с помощью лазерного аддитивного производства была получена медь высокой плотности и высоких характеристик, а также ее геометрически сложные детали.
Соответствующая работа была опубликована в ведущем международном журнале Nature Communications под заголовком «Производство меди высокой прочности и высокой проводимости с помощью лазерной сварки в порошковом слое». Коммуникации. Доктор Инган Лю (ныне профессор Школы аэронавтики Северо-Западного политехнического университета) и доктор Цзинци Чжан из Университета Квинсленда являются соавторами, а профессор Минсин Чжан из Университета Квинсленда, доктор Ранмин Ню из Сиднейского университета и профессор Кристофер Хатчинсон из Университета Монаша являются соавторами.
Изображение.
Аддитивное производство (АП), или 3D-печать, позволяет быстро изготавливать геометрически сложные медные детали и имеет широкий спектр применений в области терморегулирования и электропроводности. Однако чистая медь мягкая, а ее высокая отражательная способность к инфракрасным лазерам обычно приводит к тому, что 3D-печатные детали имеют высокую пористость, что снижает их производительность. Хотя аддитивное производство с использованием зеленых лазеров или электронных лучей позволяет печатать детали из чистой меди с высокой плотностью, присущая чистой меди низкая прочность при комнатной температуре и ее неспособность противостоять термическому размягчению ограничивают применение изготовленных аддитивным способом медных деталей, подвергающихся высоким механическим нагрузкам и высоким нагрузкам. температуры. Добавление таких элементов, как Cr, Co, Fe и Zr, к чистой меди путем ее легирования может увеличить лазерное поглощение и укрепить подложку, но этот метод значительно снижает тепло/электропроводность меди из-за их высокой растворимости в твердом состоянии в меди. Другой подход заключается в добавлении внешних частиц (Al2O3, TiB2 и т. д.), несмешивающихся с чистой медью, для упрочнения меди при сохранении высокой тепло/электропроводности. Однако на практике из-за агломерации наночастиц оказывается крайне сложно получить значительное упрочнение без ущерба для пластичности и устойчивости к повреждениям. В результате легирование или добавление несовместимых внешних частиц может повысить прочность и улучшить свойства поглощения лазерного излучения, но обычно приводит к значительному снижению тепло/электропроводности и пластичности. 3D-печать высокопрочных медных деталей с высокой проводимостью остается актуальной задачей. .
Здесь мы демонстрируем метод лазерного аддитивного производства для изготовления высокоплотных и высокопроизводительных медных деталей путем добавления небольшого количества наночастиц гексаборида лантана (LaB6) к чистому медному порошку методом лазерного плавления порошкового слоя (L-PBF). Ключом к этому методу является введение в чистую медь соответствующих частиц, которые усиливают лазерное поглощение чистой меди, с последующим растворением в ванне расплава и переосаждением при затвердевании. LaB6 был выбран из-за его высокого лазерного поглощения, хорошей электропроводности, низкой температуры плавления и низкого угла смачивания жидкой медью. LaB6 играет двойную роль. Во-первых, это улучшает лазерное поглощение чистой меди, способствуя тем самым лучшему плавлению порошка. Во-вторых, его способность плавиться во время плавления порошка и впоследствии переосаждаться в виде диффузно распределенных наночастиц во время затвердевания не только повышает прочность материала, но также поддерживает большую пластичность и высокую тепло/электропроводность. Медь, легированная 1 мас.% LaB6-, демонстрирует предел текучести 346,8 МПа, что в 3,7 раза выше, чем у чистой меди, а также пластичность разрушения 22,8%, 98,4% и высокая тепло/электропроводность 1,4%.1мас.% меди, легированной LaB6-. также является хорошим кандидатом на участие в программе IACS (Международная схема отожженной чистой меди). Электропроводность IACS (Международный стандарт отожженной меди), теплопроводность 387 Вт/мК и отличная устойчивость к размягчению при температуре 1050 градусов, что близко к температуре плавления чистой меди. Кроме того, в данном исследовании также продемонстрирована применимость метода к геометрически сложным деталям. Недавно разработанная медь, легированная LaB6-, заполняет важный пробел в 3D-печати сплавов и подходит для высоких механических нагрузок и высоких температур. Поскольку для упрочнения металлических материалов обычно используются равномерно диспергированные наночастицы, эта стратегия проектирования повторного осаждения при плавлении и затвердевании может быть распространена на другие системы сплавов для разработки высокопроизводительных материалов, готовых к печати.
Рисунок 1. Результаты испытаний микроструктуры и лазерной отражательной способности чистой и легированной LaB6- меди, полученной методом лазерной плавки порошкового слоя.
Рисунок 2. Анализ наночастиц меди, легированной LaB6-, полученной методом лазерной плавки порошкового слоя.
Рисунок 3. Элементная характеристика APT меди, легированной LaB6, полученной методом лазерной плавки порошкового слоя.
Рис. 4. Результаты испытаний механических свойств и электропроводности меди, легированной LaB6-, полученной методом лазерной плавки порошкового слоя.
Рисунок 5. Результаты испытаний на сжатие медных точек, легированных LaB6, полученных методом лазерной плавки порошкового слоя.
