V aplikáciách tepelného manažmentu a elektrickej vodivosti je dôležité mať schopnosť vyrábať medené (Cu) časti, ktoré sú plne husté, vysoko tepelne/vodivo vodivé a majú vynikajúce mechanické vlastnosti. Aditívna výroba (AM), alebo 3D tlač, poskytuje bezprecedentnú príležitosť vyrábať Cu diely so zložitými geometriami. Čistá Cu však vysoko odráža infračervené lasery, takže čisté Cu diely vytlačené bežne používanými zariadeniami na výrobu laserových aditív majú tendenciu mať vysokú pórovitosť, čo znižuje ich mechanickú a tepelnú/elektrickú vodivosť. Hoci vysoké hustoty čistých medených súčiastok môžu byť vyrobené aditívnym výrobným zariadením vybaveným krátkovlnnými zelenými lasermi alebo elektrónovými lúčmi, inherentná nízka pevnosť čistej medi a jej neschopnosť odolávať tepelnému zmäkčovaniu zabránili použitiu laserom aditívne vyrábaných medených súčiastok. vysoké mechanické zaťaženie a vysoké teploty.
Na vyriešenie vyššie uvedených problémov tím prof. Xingxing Zhanga z University of Queensland, Austrália, v spolupráci s prof. Christopherom Hutchinsonom z Monash University, prof. Julie Cairney z University of Sydney, prof. Miao-Quan Li zo Severozápadnej polytechnickej univerzity, Prof. Xiaoxu Huang z Chongqing University, Prof. Jesper Henri Hattel z University of Science and Technology of Denmark a Prof. Mark Easton z RMIT University, spolupracovali na výrobe medených dielov s vysokou hustotou. Prof. Mark Easton, Univerzita RMIT a ďalšie tímy spolupracovali na návrhu stratégie dizajnu pre 3D tlač z vysokopevnostnej a vysokovodivej medi. Kľúčom k stratégii návrhu je výber častice aditíva, ktorá je homogénne zmiešaná s práškom čistej medi, aby sa zabezpečilo, že zvýši laserovú absorpciu čistej medi, keď laser interaguje s práškom. Okrem toho sú častice aditíva dispergované v medenej matrici rozpustením v tavenine pri roztavení prášku a opätovným vyzrážaním počas tuhnutia, čím sa spevňuje meď bez výrazného zníženia jej tepelnej/elektrickej vodivosti. Kritériá skríningu pre častice prísad sú nasledovné: (1) rozpustnosť v tuhej časti základných prvkov častíc v medi by mala byť minimálna, aby sa minimalizoval ich nepriaznivý vplyv na tepelnú/elektrickú vodivosť a aby sa maximalizoval potenciál opätovného vyzrážania nanočastíc po tuhnutie; (2) častice by mali mať nízku teplotu topenia, aby sa uľahčilo ich topenie v roztavenom kúpeli a aby sa oslabila možnosť zhrubnutia znovu vyzrážaných nanočastíc počas tuhnutia; (3) častice by mali mať nízky bod zmáčania v tekutej medi, mali by mať nízky uhol zmáčania, aby sa zabránilo aglomerácii reprecipitovaných nanočastíc v tekutej medi. Na základe tohto nápadu sme zistili, že hexaborid lantánu (LaB6) spĺňa vyššie uvedené kritériá. Pridaním stopových množstiev nanočastíc LaB6 sa laserovou aditívnou výrobou realizovala vysoká hustota a vysokovýkonná meď a jej geometricky zložité časti.
Súvisiaca práca bola publikovaná v špičkovom medzinárodnom časopise Nature Communications pod názvom „Výroba medi s vysokou pevnosťou a vysokou vodivosťou fúziou laserového prášku“. komunikácie. Dr. Yinggang Liu (teraz profesor na School of Aeronautics, Northwestern Polytechnical University) a Dr. Jingqi Zhang z University of Queensland sú spolu prvými autormi, zatiaľ čo prof. Mingxing Zhang z University of Queensland, Dr. Ranming Niu z University of Sydney a profesor Christopher Hutchinson z Monash University sú spolukorešpondentmi.
Obrázok.
Aditívna výroba (AM) alebo 3D tlač umožňuje rýchlu výrobu geometricky zložitých medených dielov a má širokú škálu aplikácií v tepelnom manažmente a elektrickej vodivosti. Čistá meď je však mäkká, zatiaľ čo jej vysoká odrazivosť voči infračerveným laserom zvyčajne vedie k 3D tlačeným častiam s vysokou pórovitosťou, čo znižuje ich výkon. Hoci aditívna výroba pomocou zelených laserov alebo elektrónových lúčov môže tlačiť časti z čistej medi s vysokou hustotou, inherentná nízka pevnosť čistej medi pri izbovej teplote a jej neschopnosť odolávať tepelnému zmäkčovaniu obmedzuje použitie aditívne vyrobených medených častí vystavených vysokému mechanickému zaťaženiu a vysokým teploty. Pridanie prvkov, ako sú Cr, Co, Fe a Zr do čistej medi jej legovaním, môže zvýšiť absorpciu lasera a spevniť substrát, ale táto metóda výrazne znižuje tepelnú/elektrickú vodivosť medi v dôsledku ich vysokej rozpustnosti v tuhých látkach v medi. Ďalším prístupom je pridanie vonkajších častíc (Al2O3, TiB2, atď.), ktoré sú nemiešateľné s čistou meďou, aby sa spevnila meď pri zachovaní vysokej tepelnej/elektrickej vodivosti. V praxi sa však v dôsledku aglomerácie nanočastíc ukazuje ako mimoriadne ťažké dosiahnuť významné spevnenie bez zníženia ťažnosti a tolerancie poškodenia. Výsledkom je, že legovanie alebo pridávanie nekompatibilných vonkajších častíc môže zvýšiť pevnosť a zlepšiť vlastnosti absorpcie lasera, ale zvyčajne vedie k výraznému zníženiu tepelnej/elektrickej vodivosti a ťažnosti. 3D tlač vysoko pevných a vysoko vodivých medených častí zostáva naliehavou výzvou .
Tu demonštrujeme metódu výroby laserových aditív na prípravu vysokovýkonných medených dielov s vysokou hustotou pridaním malého množstva nanočastíc hexaboridu lantanitého (LaB6) do čistého medeného prášku fúziou laserového prášku (L-PBF). Kľúčom k tejto metóde je zavedenie vhodných častíc do čistej medi, ktoré zvyšujú laserovú absorpciu čistej medi, po ktorom nasleduje rozpustenie v tavenine a opätovné vyzrážanie počas tuhnutia. LaB6 bol vybraný na základe jeho vysokej absorpcie lasera, dobrej elektrickej vodivosti, nízkeho bodu topenia a nízkeho uhla zmáčania tekutou meďou. LaB6 má dvojakú úlohu. Po prvé, zlepšuje laserovú absorpciu čistej medi, čím podporuje lepšie splynutie prášku. Po druhé, jeho schopnosť topiť sa počas práškovej fúzie a následne reprecipitovať ako difúzne distribuované nanočastice počas tuhnutia nielen zvyšuje pevnosť materiálu, ale tiež zachováva väčšiu ťažnosť a vysokú tepelnú/elektrickú vodivosť. 1 % hmotn. medza klzu 346,8 MPa, 3,7-krát vyššia ako v prípade čistej medi, ako aj ťažnosť lomu 22,8 %, 98,4 % a vysoká tepelná/elektrická vodivosť 1,4 %. 1 % hm. LaB6-dopovanej medi je tiež dobrým kandidátom pre IACS (International Annealed Pure Copper Scheme). Elektrická vodivosť IACS (International Annealed Copper Standard), tepelná vodivosť 387 W/mK a vynikajúca odolnosť proti mäknutiu pri 1050 stupňoch, čo je blízko bodu topenia čistej medi. Okrem toho je v tejto štúdii demonštrovaná aj použiteľnosť metódy na geometricky zložité časti. Novo vyvinutá meď dopovaná LaB6-vypĺňa dôležitú medzeru v 3D tlači zliatin a je vhodná pre vysoké mechanické zaťaženie a prostredia s vysokou teplotou. Keďže rovnomerne rozptýlené nanočastice sa bežne používajú na spevnenie kovových materiálov, táto konštrukčná stratégia opätovného vyzrážania po roztavení a stuhnutí sa môže rozšíriť na iné zliatinové systémy na vývoj vysokovýkonných materiálov pripravených na tlač.
Obrázok 1 Výsledky testu mikroštruktúry a laserovej odrazivosti čistej a LaB6-dotovanej medi pripravenej roztavením laserového prášku
Obrázok 2 Analýza nanočastíc LaB6-dotovanej medi pripravenej tavením v laserovom lôžku
Obrázok 3 APT elementárna charakterizácia medi dopovanej LaB6 pripravenej tavením laserového práškového lôžka
Obrázok 4 Výsledky testu mechanických vlastností a elektrickej vodivosti medi dopovanej LaB6-pripravenou tavením v laserovom lôžku.
Obrázok 5 Výsledky kompresného testu medených bodiek dopovaných LaB6 pripravených tavením laserového práškového lôžka
