W zastosowaniach związanych z zarządzaniem ciepłem i przewodnością elektryczną niezwykle istotna jest możliwość wytwarzania części z miedzi (Cu), które są w pełni gęste, charakteryzują się wysoką przewodnością cieplną/przewodzącą i doskonałymi właściwościami mechanicznymi. Produkcja przyrostowa (AM), czyli druk 3D, zapewnia niespotykaną dotąd możliwość wytwarzania części Cu o złożonej geometrii. Jednakże czysta Cu silnie odbija lasery podczerwone, dlatego części z czystej Cu wydrukowane przy użyciu powszechnie używanego sprzętu do wytwarzania dodatków laserowych mają zwykle dużą porowatość, co zmniejsza ich przewodność mechaniczną i cieplną/elektryczną. Chociaż części z czystej miedzi o dużej gęstości można wytwarzać za pomocą urządzeń do wytwarzania przyrostowego wyposażonych w zielone lasery o krótkich falach lub wiązki elektronów, nieodłączna niska wytrzymałość czystej miedzi i jej nieodporność na zmiękczanie termiczne uniemożliwiają zastosowanie części miedzianych wytwarzanych metodą addytywną laserowo przy duże obciążenia mechaniczne i wysokie temperatury.
W celu rozwiązania powyższych problemów zespół prof. Xingxing Zhang z University of Queensland w Australii we współpracy z prof. Christopherem Hutchinsonem z Monash University, prof. Julie Cairney z Uniwersytetu w Sydney, prof. Miao-Quan Li z Northwestern Polytechnical University, prof. Xiaoxu Huang z Uniwersytetu Chongqing, prof. Jesper Henri Hattel z Uniwersytetu Nauki i Technologii w Danii oraz prof. Mark Easton z Uniwersytetu RMIT wspólnie pracowali nad produkcją części miedzianych o dużej gęstości. Prof. Mark Easton, Uniwersytet RMIT i inne zespoły współpracowały nad zaproponowaniem strategii projektowania drukowania 3D miedzi o wysokiej wytrzymałości i przewodności. Kluczem do strategii projektowania jest wybór cząstki dodatku, która jest jednorodnie wymieszana z czystym proszkiem miedzi, aby zapewnić zwiększenie absorpcji lasera przez czystą miedź podczas interakcji lasera z proszkiem. Ponadto cząstki dodatku są rozproszone w osnowie miedzi poprzez rozpuszczenie w jeziorku stopionego proszku podczas topienia proszku i ponowne wytrącenie podczas krzepnięcia, wzmacniając w ten sposób miedź bez znaczącego zmniejszenia jej przewodności cieplnej/elektrycznej. Kryteria selekcji cząstek dodatku są następujące: (1) rozpuszczalność w stanie stałym elementów składowych cząstek w miedzi powinna być minimalna, aby zminimalizować ich niekorzystny wpływ na przewodność cieplną/elektryczną i zmaksymalizować potencjał ponownego wytrącania nanocząstek po zestalenie; (2) cząstki powinny mieć niską temperaturę topnienia, aby ułatwić ich wtapianie się w roztopione jeziorko i osłabić możliwość zgrubienia ponownie wytrąconych nanocząstek podczas krzepnięcia; (3) cząstki powinny mieć niską temperaturę zwilżania w ciekłej miedzi, powinny mieć niski kąt zwilżania, aby zapobiec aglomeracji ponownie wytrąconych nanocząstek w ciekłej miedzi. W oparciu o ten pomysł projektowy odkryliśmy, że heksaborek lantanu (LaB6) spełnia powyższe kryteria. Dodając śladowe ilości nanocząstek LaB6, metodą laserowego wytwarzania przyrostowego uzyskano miedź o dużej gęstości i wysokiej wydajności oraz jej geometrycznie złożone części.
Powiązana praca została opublikowana w czołowym międzynarodowym czasopiśmie Nature Communications pod tytułem „Wytwarzanie miedzi o wysokiej wytrzymałości i wysokiej przewodności za pomocą laserowego stapiania w złożu proszkowym”. Komunikacja. Dr Yinggang Liu (obecnie profesor w School of Aeronautics, Northwestern Polytechnical University) i dr Jingqi Zhang z University of Queensland są współpierwszymi autorami, natomiast prof. Mingxing Zhang z University of Queensland, dr Ranming Niu z Uniwersytetu w Sydney i prof. Christopher Hutchinson z Monash University są autorami korespondującymi.
Obraz.
Produkcja przyrostowa (AM), czyli druk 3D, umożliwia szybkie wytwarzanie skomplikowanych geometrycznie części miedzianych i ma szeroki zakres zastosowań w zarządzaniu ciepłem i przewodności elektrycznej. Jednakże czysta miedź jest miękka, a jej wysoki współczynnik odbicia laserów podczerwonych zazwyczaj skutkuje drukowaniem 3D części o dużej porowatości, co zmniejsza ich wydajność. Chociaż produkcja przyrostowa przy użyciu zielonych laserów lub wiązek elektronów umożliwia drukowanie części z czystej miedzi o dużej gęstości, nieodłączna niska wytrzymałość czystej miedzi w temperaturze pokojowej i jej nieodporność na zmiękczanie termiczne ograniczają zastosowanie części miedzianych wytwarzanych metodą addytywną poddawanych dużym obciążeniom mechanicznym i wysokim temperatury. Dodawanie pierwiastków takich jak Cr, Co, Fe i Zr do czystej miedzi poprzez jej tworzenie stopów może zwiększyć absorpcję lasera i wzmocnić podłoże, ale metoda ta znacznie zmniejsza przewodność cieplną/elektryczną miedzi ze względu na jej wysoką rozpuszczalność w postaci stałej w miedzi. Innym podejściem jest dodanie cząstek zewnętrznych (Al2O3, TiB2 itp.), które nie mieszają się z czystą miedzią, w celu wzmocnienia miedzi przy jednoczesnym zachowaniu wysokiej przewodności cieplnej/elektrycznej. Jednak w praktyce, ze względu na aglomerację nanocząstek, niezwykle trudno jest uzyskać znaczące wzmocnienie bez pogorszenia plastyczności i tolerancji na uszkodzenia. W rezultacie dodawanie stopów lub dodawanie niekompatybilnych cząstek zewnętrznych może zwiększyć wytrzymałość i poprawić właściwości absorpcji lasera, ale zwykle powoduje znaczny spadek przewodności cieplnej/elektrycznej i plastyczności. Drukowanie 3D części miedzianych o wysokiej wytrzymałości i przewodności pozostaje palącym wyzwaniem .
Tutaj demonstrujemy laserową metodę wytwarzania przyrostowego służącą do wytwarzania wysokowydajnych części miedzianych o dużej gęstości poprzez dodanie niewielkiej ilości nanocząstek heksaborku lantanu (LaB6) do czystego proszku miedzi za pomocą laserowego stapiania złoża proszku (L-PBF). Kluczem do tej metody jest wprowadzenie do czystej miedzi odpowiednich cząstek, które zwiększają absorpcję lasera przez czystą miedź, a następnie rozpuszczenie w jeziorku stopu i ponowne wytrącenie podczas krzepnięcia. LaB6 wybrano ze względu na jego wysoką absorpcję lasera, dobrą przewodność elektryczną, niską temperaturę topnienia i niski kąt zwilżania ciekłą miedzią. LaB6 pełni podwójną rolę. Po pierwsze, poprawia absorpcję laserową czystej miedzi, sprzyjając w ten sposób lepszemu stopieniu proszku. Po drugie, jego zdolność do topienia się podczas stapiania proszku, a następnie ponownego wytrącania się w postaci rozproszonych nanocząstek podczas krzepnięcia nie tylko zwiększa wytrzymałość materiału, ale także utrzymuje większą ciągliwość i wysoką przewodność cieplną/elektryczną. Miedź domieszkowana LaB6- o 1% wag. granicę plastyczności 346,8 MPa, 3,7 razy wyższą niż w przypadku czystej miedzi, a także plastyczność przy pękaniu 22,8%, 98,4% i wysoką przewodność cieplną/elektryczną wynoszącą 1,4% wag. 1% wag. miedzi domieszkowanej LaB6- jest również dobrym kandydatem do programu IACS (International Annealed Pure Copper Scheme). Przewodność elektryczna IACS (International Annealed Copper Standard), przewodność cieplna 387 W/mK i doskonała odporność na mięknięcie w temperaturze 1050 stopni, która jest bliska temperaturze topnienia czystej miedzi. Ponadto w tym badaniu wykazano również możliwość zastosowania metody do części o skomplikowanych geometrycznie. Nowo opracowana miedź domieszkowana LaB6-wypełnia ważną lukę w druku 3D stopów i nadaje się do stosowania przy dużych obciążeniach mechanicznych i środowiskach o wysokiej temperaturze. Ponieważ do wzmacniania materiałów metalicznych powszechnie stosuje się równomiernie rozproszone nanocząstki, tę strategię projektową polegającą na ponownym wytrącaniu po stopieniu i zestaleniu można rozszerzyć na inne systemy stopów w celu opracowania gotowych do druku materiałów o wysokiej wydajności.
Rysunek 1 Wyniki badań mikrostruktury i współczynnika odbicia lasera czystej miedzi i domieszkowanej LaB6-, przygotowanej metodą topienia laserowego złoża proszkowego
Rysunek 2 Analiza nanocząstek miedzi domieszkowanej LaB6-, przygotowanej metodą topienia laserowego złoża proszkowego
Rysunek 3 Charakterystyka elementarna APT miedzi domieszkowanej LaB6 przygotowanej metodą topienia laserowego złoża proszkowego
Rysunek 4 Wyniki badań właściwości mechanicznych i przewodności elektrycznej miedzi domieszkowanej LaB6-, przygotowanej metodą topienia laserowego złoża proszkowego.
Rysunek 5 Wyniki testu ściskania kropek miedzi domieszkowanej LaB6 przygotowanych metodą topienia laserowego złoża proszkowego
