Bij toepassingen op het gebied van thermisch beheer en elektrische geleidbaarheid is het van cruciaal belang om koperen (Cu) onderdelen te kunnen vervaardigen die een volledige dichtheid hebben, zeer thermisch/geleidend geleidend zijn en uitstekende mechanische eigenschappen hebben. Additive manufacturing (AM), of 3D-printen, biedt een ongekende mogelijkheid om Cu-onderdelen met complexe geometrieën te produceren. Zuiver Cu is echter sterk reflecterend voor infraroodlasers, dus zuivere Cu-onderdelen die zijn geprint met veelgebruikte laser-additive manufacturing-apparatuur hebben de neiging een hoge porositeit te hebben, wat hun mechanische en thermische/elektrische geleidbaarheid vermindert. Hoewel hoge dichtheden van puur koperen onderdelen kunnen worden geproduceerd door apparatuur voor additieve productie die is uitgerust met groene lasers of elektronenstralen met een korte golflengte, hebben de inherente lage sterkte van puur koper en het onvermogen om thermische verzachting te weerstaan de toepassing van met laser additief vervaardigde koperen onderdelen verhinderd. hoge mechanische belastingen en hoge temperaturen.
Om de bovenstaande problemen op te lossen, heeft het team van prof. Xingxing Zhang van de Universiteit van Queensland, Australië, in samenwerking met prof. Christopher Hutchinson van Monash University, prof. Julie Cairney van de universiteit van Sydney, prof. Miao-Quan Li van de Northwestern Polytechnical University, prof. Xiaoxu Huang van de Chongqing Universiteit, prof. Jesper Henri Hattel van de Universiteit voor Wetenschap en Technologie van Denemarken, en prof. Mark Easton van de RMIT Universiteit, hebben samengewerkt om koperen onderdelen met hoge dichtheden te produceren. Prof. Mark Easton, RMIT University en andere teams hebben samengewerkt om een ontwerpstrategie voor te stellen voor het 3D-printen van koper met hoge sterkte en hoge geleidbaarheid. De sleutel tot de ontwerpstrategie is het selecteren van een additief deeltje dat homogeen wordt gemengd met het zuivere koperpoeder om ervoor te zorgen dat het de laserabsorptie van het zuivere koper verbetert wanneer de laser in wisselwerking staat met het poeder. Bovendien worden de additiefdeeltjes in de kopermatrix gedispergeerd door op te lossen in het smeltbad wanneer het poeder wordt gesmolten en opnieuw neer te slaan tijdens het stollen, waardoor het koper wordt versterkt zonder de thermische/elektrische geleidbaarheid ervan significant te verminderen. De screeningcriteria voor de additieve deeltjes zijn als volgt: (1) de vaste oplosbaarheid van de samenstellende elementen van de deeltjes in koper moet minimaal zijn om hun nadelige effect op de thermische/elektrische geleidbaarheid te minimaliseren en om het potentieel voor herprecipitatie van de nanodeeltjes bij stolling; (2) de deeltjes moeten een laag smeltpunt hebben om het smelten ervan in de gesmolten poel te vergemakkelijken en om het potentieel voor vergroving van de opnieuw neergeslagen nanodeeltjes tijdens het stollen te verzwakken; (3) de deeltjes moeten een laag bevochtigingspunt in het vloeibare koper hebben en een lage bevochtigingshoek hebben om agglomeratie van de opnieuw neergeslagen nanodeeltjes in vloeibaar koper te voorkomen. Op basis van dit ontwerpidee hebben we vastgesteld dat lanthaanhexaboride (LaB6) aan de bovenstaande criteria voldoet. Door sporenhoeveelheden LaB6-nanodeeltjes toe te voegen, werden koper met hoge dichtheid en hoge prestaties en de geometrisch complexe delen ervan gerealiseerd door middel van laseradditieve productie.
Het gerelateerde werk werd gepubliceerd in het internationale toptijdschrift Nature Communications onder de titel "Productie van koper met hoge sterkte en hoge geleidbaarheid met laserpoederbedfusie". Communicatie. Dr. Yinggang Liu (nu professor aan de School of Aeronautics, Northwestern Polytechnical University) en Dr. Jingqi Zhang van de Universiteit van Queensland zijn de co-eerste auteurs, terwijl Prof. Mingxing Zhang van de Universiteit van Queensland, Dr. Ranming Niu van de Universiteit van Sydney, en Prof. Christopher Hutchinson van Monash University zijn de co-corresponderende auteurs.
Afbeelding.
Additive manufacturing (AM), of 3D-printen, maakt de snelle fabricage van geometrisch complexe koperen onderdelen mogelijk en heeft een breed scala aan toepassingen op het gebied van thermisch beheer en elektrische geleidbaarheid. Zuiver koper is echter zacht, terwijl de hoge reflectiviteit voor infraroodlasers doorgaans resulteert in 3D-geprinte onderdelen met een hoge porositeit, waardoor hun prestaties afnemen. Hoewel additieve productie met behulp van groene lasers of elektronenstralen zuivere koperen onderdelen met hoge dichtheden kan printen, beperkt de inherente lage sterkte van puur koper bij kamertemperatuur en het onvermogen om thermische verzachting te weerstaan de toepassing van additief vervaardigde koperen onderdelen die worden blootgesteld aan hoge mechanische belastingen en hoge druk. temperaturen. Het toevoegen van elementen zoals Cr, Co, Fe en Zr aan puur koper door het te legeren kan de laserabsorptie verhogen en het substraat versterken, maar deze methode vermindert de thermische/elektrische geleidbaarheid van koper aanzienlijk vanwege hun hoge oplosbaarheid in vaste stoffen in koper. Een andere benadering is het toevoegen van externe deeltjes (Al2O3, TiB2, enz.) die niet mengbaar zijn met zuiver koper om het koper te versterken terwijl de hoge thermische/elektrische geleidbaarheid behouden blijft. In de praktijk blijkt het echter, als gevolg van de agglomeratie van nanodeeltjes, uiterst moeilijk te zijn om significante versterking te verkrijgen zonder de ductiliteit en schadetolerantie in gevaar te brengen. Als gevolg hiervan kan het legeren of toevoegen van incompatibele externe deeltjes de sterkte vergroten en de laserabsorptie-eigenschappen verbeteren, maar dit resulteert meestal in een aanzienlijke afname van de thermische/elektrische geleidbaarheid en ductiliteit. Het 3D-printen van zeer sterke, hooggeleidende koperen onderdelen blijft een dringende uitdaging .
Hier demonstreren we een laseradditieve productiemethode voor het bereiden van hoogwaardige koperen onderdelen met hoge dichtheid door een kleine hoeveelheid lanthaanhexaboride (LaB6) nanodeeltjes toe te voegen aan puur koperpoeder door middel van laserpoederbedfusie (L-PBF). De sleutel tot deze methode is de introductie van geschikte deeltjes in het zuivere koper die de laserabsorptie van het zuivere koper verbeteren, gevolgd door oplossing in het smeltbad en herprecipitatie tijdens het stollen. LaB6 werd gekozen op basis van zijn hoge laserabsorptie, goede elektrische geleidbaarheid, laag smeltpunt en lage bevochtigingshoek met vloeibaar koper. LaB6 speelt een dubbele rol. Ten eerste verbetert het de laserabsorptie van puur koper, waardoor een betere smelting van het poeder wordt bevorderd. Ten tweede verbetert het vermogen ervan om te smelten tijdens poederfusie en vervolgens opnieuw neer te slaan als diffuus verdeelde nanodeeltjes tijdens het stollen niet alleen de sterkte van het materiaal, maar handhaaft het ook een grotere ductiliteit en een hoge thermische/elektrische geleidbaarheid. 1 gew.% LaB6-gedopeerd koper vertoont een vloeigrens van 346,8 MPa, 3,7 keer hoger dan die van puur koper, evenals een breukductiliteit van 22,8%, 98,4%, en een hoge thermische/elektrische geleidbaarheid van 1,4%.1wt% LaB6-gedoteerd koper is ook een goede kandidaat voor het IACS (International Annealed Pure Copper Scheme). IACS (International Annealed Copper Standard) elektrische geleidbaarheid, een thermische geleidbaarheid van 387 W/mK en uitstekende weerstand tegen verzachting bij 1050 graden, wat dicht bij het smeltpunt van puur koper ligt. Daarnaast wordt in dit onderzoek ook de toepasbaarheid van de methode op geometrisch complexe onderdelen aangetoond. Het nieuw ontwikkelde LaB6-gedoteerde koper vult een belangrijke leemte in het 3D-printen van legeringen en is geschikt voor hoge mechanische belastingen en omgevingen met hoge temperaturen. Omdat uniform verspreide nanodeeltjes vaak worden gebruikt om metalen materialen te versterken, kan deze ontwerpstrategie van herprecipitatie bij smelten en stollen worden uitgebreid naar andere legeringssystemen voor de ontwikkeling van printklare, hoogwaardige materialen.
Figuur 1 Testresultaten van microstructuur en laserreflectiviteit van zuiver en LaB6-gedoteerd koper, bereid door smelten met een laserpoederbed
Figuur 2 Nanodeeltjesanalyse van LaB6-gedoteerd koper, bereid door laserpoederbedsmelten
Figuur 3 APT-elementaire karakterisering van LaB6-gedoteerd koper bereid door laserpoederbedsmelten
Figuur 4 Mechanische eigenschappen en testresultaten voor de elektrische geleidbaarheid van LaB6-gedoteerd koper, bereid door smelten met een laserpoederbed.
Figuur 5 Compressietestresultaten van met LaB6 gedoteerde koperen stippen, bereid door smelten met een laserpoederbed
