I termisk styring og elektrisk ledningsevne applikationer er det afgørende at have evnen til at fremstille kobber (Cu) dele, der er fuldt tætte, meget termisk/ledende ledende og har fremragende mekaniske egenskaber. Additiv fremstilling (AM), eller 3D-print, giver en hidtil uset mulighed for at producere Cu-dele med komplekse geometrier. Ren Cu reflekterer imidlertid i høj grad infrarøde lasere, så rene Cu-dele trykt med almindeligt anvendt laseradditivt fremstillingsudstyr har en tendens til at have høj porøsitet, hvilket reducerer deres mekaniske og termiske/elektriske ledningsevne. Selvom høje tætheder af rene kobberdele kan fremstilles af additivt fremstillingsudstyr udstyret med kortbølgelængde grønne lasere eller elektronstråler, har den iboende lave styrke af rent kobber og dets manglende evne til at modstå termisk blødgøring forhindret anvendelsen af laseradditivt fremstillede kobberdele ved høje mekaniske belastninger og høje temperaturer.
For at løse ovenstående problemer har teamet af prof. Xingxing Zhang fra University of Queensland, Australien, i samarbejde med prof. Christopher Hutchinson fra Monash University, prof. Julie Cairney fra University of Sydney, prof. Miao-Quan Li fra Northwestern Polytechnical University, Prof. Xiaoxu Huang fra Chongqing Universitet, Prof. Jesper Henri Hattel fra Danmarks Videnskabs- og Teknologiske Universitet og Prof. Mark Easton fra RMIT University, har arbejdet sammen om at producere kobberdele med høj tæthed. Prof. Mark Easton, RMIT University og andre teams har samarbejdet om at foreslå en designstrategi for 3D-print af kobber med høj styrke og høj ledningsevne. Nøglen til designstrategien er at vælge en additiv partikel, der er homogent blandet med det rene kobberpulver for at sikre, at det forbedrer laserabsorptionen af det rene kobber, når laseren interagerer med pulveret. Derudover dispergeres additivpartiklerne i kobbermatrixen ved at opløses i smeltebassinet, når pulveret smeltes og genudfældes under størkning, hvorved kobberet styrkes uden væsentligt at reducere dets termiske/elektriske ledningsevne. Screeningskriterierne for additivpartiklerne er som følger: (1) faststofopløseligheden af partiklernes bestanddele i kobber bør være minimal for at minimere deres negative effekt på termisk/elektrisk ledningsevne og for at maksimere potentialet for genudfældning af nanopartiklerne ved størkning; (2) partiklerne bør have et lavt smeltepunkt for at lette deres smeltning i den smeltede pool og for at svække potentialet for forgrovning af de genudfældede nanopartikler under størkning; (3) partiklerne skal have et lavt befugtningspunkt i det flydende kobber skal have en lav befugtningsvinkel for at forhindre agglomerering af de genudfældede nanopartikler i flydende kobber. Baseret på denne designidé fandt vi ud af, at lanthanhexaborid (LaB6) opfylder ovenstående kriterier. Ved at tilføje spormængder af LaB6 nanopartikler blev kobber med høj densitet og høj ydeevne og dets geometrisk komplekse dele realiseret ved laseradditiv fremstilling.
Det relaterede arbejde blev offentliggjort i det internationale toptidsskrift Nature Communications under titlen "Fremstilling af kobber med høj styrke og høj ledningsevne med laserpulverbedfusion". Kommunikation. Dr. Yinggang Liu (nu professor ved School of Aeronautics, Northwestern Polytechnical University) og Dr. Jingqi Zhang fra University of Queensland er de første forfattere, mens prof. Mingxing Zhang fra University of Queensland, Dr. Ranming Niu fra University of Sydney, og prof. Christopher Hutchinson fra Monash University er de medkorresponderende forfattere.
Billede.
Additiv fremstilling (AM), eller 3D-print, muliggør hurtig fremstilling af geometrisk komplekse kobberdele og har en bred vifte af anvendelser inden for termisk styring og elektrisk ledningsevne. Rent kobber er dog blødt, mens dets høje reflektionsevne over for infrarøde lasere typisk resulterer i 3D-printede dele med høj porøsitet, hvilket reducerer deres ydeevne. Selvom additiv fremstilling ved hjælp af grønne lasere eller elektronstråler kan udskrive rene kobberdele med høje tætheder, begrænser den iboende lave styrke af rent kobber ved stuetemperatur og dets manglende evne til at modstå termisk blødgøring anvendelsen af additivt fremstillede kobberdele, der udsættes for høje mekaniske belastninger og høje temperaturer. Tilføjelse af elementer som Cr, Co, Fe og Zr til rent kobber ved at legere det kan øge laserabsorptionen og styrke substratet, men denne metode reducerer kobbers termiske/elektriske ledningsevne betydeligt på grund af deres høje faststofopløselighed i kobber. En anden tilgang er at tilføje eksterne partikler (Al2O3, TiB2, etc.), der er ublandbare med rent kobber for at styrke kobberet og samtidig opretholde høj termisk/elektrisk ledningsevne. Men i praksis viser det sig på grund af agglomeration af nanopartikler at være ekstremt vanskeligt at opnå væsentlig forstærkning uden at gå på kompromis med duktiliteten og skadestolerancen. Som et resultat heraf kan legering eller tilføjelse af inkompatible eksterne partikler øge styrken og forbedre laserabsorptionsegenskaberne, men resulterer normalt i et betydeligt fald i termisk/elektrisk ledningsevne og duktilitet.3D-printning af kobberdele med høj styrke og høj ledningsevne er fortsat en presserende udfordring .
Her demonstrerer vi en laseradditiv fremstillingsmetode til fremstilling af højdensitet, højtydende kobberdele ved at tilføje en lille mængde lanthanhexaborid (LaB6) nanopartikler til rent kobberpulver ved laserpulverbedfusion (L-PBF). Nøglen til denne metode er indføringen af passende partikler i det rene kobber, der forbedrer laserabsorptionen af det rene kobber, efterfulgt af opløsning i smeltepuljen og genudfældning under størkning. LaB6 blev valgt på baggrund af dets høje laserabsorption, gode elektriske ledningsevne, lave smeltepunkt og lave befugtningsvinkel med flydende kobber. LaB6 har en dobbelt rolle. For det første forbedrer det laserabsorptionen af rent kobber, hvilket fremmer en bedre sammensmeltning af pulveret. For det andet forbedrer dets evne til at smelte under pulverfusion og efterfølgende genudfældes som diffust fordelte nanopartikler under størkning ikke kun styrken af materialet, men opretholder også større duktilitet og høj termisk/elektrisk ledningsevne.1 vægt% LaB6-doteret kobber en flydespænding på 346,8 MPa, 3,7 gange højere end for rent kobber, samt en brudduktilitet på 22,8 %, 98,4 % og en høj termisk/elektrisk ledningsevne på 1,4 %.1 vægt-% LaB6-doteret kobber er også en god kandidat til IACS (International Annealed Pure Copper Scheme). IACS (International Annealed Copper Standard) elektrisk ledningsevne, en termisk ledningsevne på 387 W/mK og fremragende modstandsdygtighed over for blødgøring ved 1050 grader, hvilket er tæt på smeltepunktet for rent kobber. Derudover er metodens anvendelighed på geometrisk komplekse dele også demonstreret i denne undersøgelse. Det nyudviklede LaB6-doterede kobber udfylder et vigtigt hul i 3D-print af legeringer og er velegnet til høje mekaniske belastninger og høje temperaturmiljøer. Da ensartet spredte nanopartikler almindeligvis bruges til at styrke metalliske materialer, kan denne designstrategi med genudfældning ved smeltning og størkning udvides til andre legeringssystemer til udvikling af printklare, højtydende materialer.
Figur 1 Mikrostruktur- og laserreflektivitetstestresultater af rent og LaB6-doteret kobber fremstillet ved laserpulverbedsmeltning
Figur 2 Nanopartikelanalyse af LaB6-doteret kobber fremstillet ved laserpulverbedsmeltning
Figur 3 APT elementær karakterisering af LaB6-doteret kobber fremstillet ved laserpulverbedsmeltning
Figur 4 Mekaniske egenskaber og testresultater for elektrisk ledningsevne af LaB6-doteret kobber fremstillet ved laserpulverbedsmeltning.
Figur 5 Kompressionstestresultater af LaB6-doterede kobberprikker fremstillet ved laserpulverbedsmeltning
