V aplikacích tepelného managementu a elektrické vodivosti je zásadní mít schopnost vyrábět měděné (Cu) díly, které jsou plně husté, vysoce tepelně/vodivé a mají vynikající mechanické vlastnosti. Aditivní výroba (AM), neboli 3D tisk, poskytuje bezprecedentní příležitost vyrábět Cu díly se složitou geometrií. Čistá Cu však vysoce odráží infračervené lasery, takže čisté Cu díly vytištěné na běžně používaných zařízeních pro výrobu laserových aditiv mají tendenci mít vysokou poréznost, což snižuje jejich mechanickou a tepelnou/elektrickou vodivost. Ačkoli lze vysoké hustoty čistých měděných dílů vyrábět aditivním výrobním zařízením vybaveným krátkovlnnými zelenými lasery nebo elektronovými paprsky, inherentní nízká pevnost čisté mědi a její neschopnost odolávat tepelnému změkčování brání použití laserem aditivně vyrobených měděných dílů při vysoké mechanické zatížení a vysoké teploty.
Za účelem vyřešení výše uvedených problémů tým Prof. Xingxing Zhang z University of Queensland, Austrálie, ve spolupráci s Prof. Christopherem Hutchinsonem z Monash University, Prof. Julie Cairney z University of Sydney, Prof. Miao-Quan Li z Northwestern Polytechnical University, 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 výrobě měděných dílů s vysokou hustotou. Prof. Mark Easton, RMIT University a další týmy spolupracovaly na návrhu strategie návrhu pro 3D tisk z vysoce pevné a vysoce vodivé mědi. Klíčem ke strategii návrhu je vybrat částici přísady, která je homogenně smíchána s práškem čisté mědi, aby se zajistilo, že zvýší laserovou absorpci čisté mědi, když laser interaguje s práškem. Kromě toho jsou částice přísady dispergovány v měděné matrici rozpuštěním v tavné lázni, když se prášek roztaví, a opětovným vysrážením během tuhnutí, čímž se měď zpevní bez výrazného snížení její tepelné/elektrické vodivosti. Screeningová kritéria pro částice aditiva jsou následující: (1) rozpustnost pevných složek prvků částic v mědi by měla být minimální, aby se minimalizoval jejich nepříznivý účinek na tepelnou/elektrickou vodivost a aby se maximalizoval potenciál pro opětovné vysrážení nanočástic při tuhnutí; (2) částice by měly mít nízkou teplotu tání, aby se usnadnilo jejich roztavení v roztavené lázni a aby se oslabila možnost hrubnutí znovu vysrážených nanočástic během tuhnutí; (3) částice by měly mít nízký bod smáčení v tekuté mědi, měly by mít nízký úhel smáčení, aby se zabránilo aglomeraci znovu vysrážených nanočástic v tekuté mědi. Na základě tohoto návrhu jsme zjistili, že hexaborid lanthanu (LaB6) splňuje výše uvedená kritéria. Přidáním stopového množství nanočástic LaB6 byla laserovou aditivní výrobou realizována vysoká hustota a vysoce výkonná měď a její geometricky složité části.
Související práce byla publikována ve špičkovém mezinárodním časopise Nature Communications pod názvem „Výroba mědi s vysokou pevností a vysokou vodivostí fúzí laserového prášku“. Komunikace. Dr. Yinggang Liu (nyní profesor na School of Aeronautics, Northwestern Polytechnical University) a Dr. Jingqi Zhang z University of Queensland jsou spolu prvními autory, zatímco prof. Mingxing Zhang z University of Queensland, Dr. Ranming Niu z University of Sydney a prof. Christopher Hutchinson z Monash University jsou spoluodpovídajícími autory.
Obraz.
Aditivní výroba (AM), neboli 3D tisk, umožňuje rychlou výrobu geometricky složitých měděných dílů a má širokou škálu aplikací v tepelném managementu a elektrické vodivosti. Čistá měď je však měkká, zatímco její vysoká odrazivost vůči infračerveným laserům obvykle vede k 3D tištěným dílům s vysokou porézností, což snižuje jejich výkon. Přestože aditivní výroba pomocí zelených laserů nebo elektronových paprsků může tisknout díly z čisté mědi s vysokou hustotou, inherentní nízká pevnost čisté mědi při pokojové teplotě a její neschopnost odolat tepelnému měknutí omezuje použití aditivně vyrobených měděných dílů vystavených vysokému mechanickému zatížení a vysokým teploty. Přidání prvků jako Cr, Co, Fe a Zr k čisté mědi jejím legováním může zvýšit absorpci laseru a zpevnit substrát, ale tato metoda výrazně snižuje tepelnou/elektrickou vodivost mědi kvůli její vysoké rozpustnosti v pevných látkách v mědi. Dalším přístupem je přidání vnějších částic (Al2O3, TiB2, atd.), které jsou nemísitelné s čistou mědí, aby se měď zpevnila při zachování vysoké tepelné/elektrické vodivosti. V praxi se však v důsledku aglomerace nanočástic ukazuje jako extrémně obtížné dosáhnout významného zpevnění, aniž by byla ohrožena tažnost a tolerance poškození. V důsledku toho může legování nebo přidání nekompatibilních vnějších částic zvýšit pevnost a zlepšit absorpční vlastnosti laseru, ale obvykle vede k významnému snížení tepelné/elektrické vodivosti a tažnosti. 3D tisk vysoce pevných a vysoce vodivých měděných dílů zůstává naléhavou výzvou .
Zde demonstrujeme metodu výroby laserových aditiv pro přípravu vysoce výkonných měděných dílů s vysokou hustotou přidáním malého množství nanočástic hexaboridu lanthanu (LaB6) do čistého měděného prášku pomocí laserové práškové fúze (L-PBF). Klíčem k této metodě je zavedení vhodných částic do čisté mědi, které zvyšují laserovou absorpci čisté mědi, následované rozpuštěním v lázni taveniny a opětným vysrážením během tuhnutí. LaB6 byl vybrán na základě vysoké absorpce laseru, dobré elektrické vodivosti, nízkého bodu tání a nízkého úhlu smáčení tekutou mědí. LaB6 má dvojí roli. Za prvé, zlepšuje laserovou absorpci čisté mědi, čímž podporuje lepší roztavení prášku. Za druhé, jeho schopnost tát během práškové fúze a následně se znovu vysrážet jako difúzně distribuované nanočástice během tuhnutí nejen zvyšuje pevnost materiálu, ale také udržuje větší tažnost a vysokou tepelnou/elektrickou vodivost. 1 % hm. mez kluzu 346,8 MPa, 3,7krát vyšší než u čisté mědi, a také lomová tažnost 22,8 %, 98,4 % a vysoká tepelná/elektrická vodivost 1,4 %. 1 % hm. LaB6-dotované mědi je také dobrým kandidátem pro IACS (International Annealed Pure Copper Scheme). Elektrická vodivost IACS (International Annealed Copper Standard), tepelná vodivost 387 W/mK a vynikající odolnost proti měknutí při 1050 stupních, což je blízko bodu tání čisté mědi. Kromě toho je v této studii také demonstrována použitelnost metody na geometricky složité součásti. Nově vyvinutá měď dopovaná LaB6-zaplňuje důležitou mezeru ve 3D tisku slitin a je vhodná pro vysoké mechanické zatížení a prostředí s vysokou teplotou. Vzhledem k tomu, že ke zpevnění kovových materiálů se běžně používají rovnoměrně rozptýlené nanočástice, lze tuto návrhovou strategii reprecipitace při tavení a tuhnutí rozšířit na další slitinové systémy pro vývoj vysoce výkonných materiálů připravených pro tisk.
Obrázek 1 Výsledky testu mikrostruktury a laserové odrazivosti čisté a LaB6-dotované mědi připravené tavením laserového prášku
Obrázek 2 Analýza nanočástic LaB6-dotované mědi připravené tavením v loži laserového prášku
Obrázek 3 APT elementární charakterizace mědi dopované LaB6 připravené tavením v loži laserového prášku
Obrázek 4 Výsledky testu mechanických vlastností a elektrické vodivosti mědi dopované LaB6-připravené tavením v loži laserového prášku.
Obrázek 5 Výsledky kompresního testu měděných teček dopovaných LaB6 připravených tavením v loži laserového prášku
