A hőkezelési és elektromos vezetőképességi alkalmazásokban kulcsfontosságú, hogy olyan réz (Cu) alkatrészeket lehessen gyártani, amelyek teljesen sűrűek, magas hő/vezetőképességgel rendelkeznek és kiváló mechanikai tulajdonságokkal rendelkeznek. Az additív gyártás (AM) vagy a 3D nyomtatás példátlan lehetőséget kínál összetett geometriájú réz alkatrészek előállítására. A tiszta réz azonban nagymértékben tükrözi az infravörös lézereket, ezért a gyakran használt lézeradalékos gyártóberendezésekkel nyomtatott tiszta réz alkatrészek általában nagy porozitásúak, ami csökkenti mechanikai és hő/elektromos vezetőképességüket. Bár a tiszta réz alkatrészek nagy sűrűsége előállítható rövid hullámhosszú zöld lézerekkel vagy elektronsugarakkal felszerelt additív gyártóberendezésekkel, a tiszta réz eredendően alacsony szilárdsága és képtelensége ellenállni a hőlágyulásnak megakadályozta a lézeres adalékanyaggal előállított réz alkatrészek alkalmazását. nagy mechanikai terhelés és magas hőmérséklet.
A fenti problémák megoldása érdekében Prof. Xingxing Zhang csapata a Queenslandi Egyetemről (Ausztrália) együttműködve Christopher Hutchinson professzorral a Monash Egyetemről, Julie Cairney professzorral a Sydney Egyetemről, Prof. Miao-Quan Li-vel A Northwestern Polytechnical University munkatársa, Prof. Xiaoxu Huang a Chongqing Egyetemről, Prof. Jesper Henri Hattel a Dániai Tudományos és Technológiai Egyetemről és Prof. Mark Easton az RMIT Egyetemről együtt dolgoznak nagy sűrűségű réz alkatrészek előállításán. Prof. Mark Easton, az RMIT Egyetem és más csapatok együttműködtek, hogy tervezési stratégiát javasoljanak a nagy szilárdságú és nagy vezetőképességű réz 3D nyomtatására. A tervezési stratégia kulcsa a tiszta rézporral homogénen kevert adalékrészecske kiválasztása annak biztosítása érdekében, hogy fokozza a tiszta réz lézerabszorpcióját, amikor a lézer kölcsönhatásba lép a porral. Ezenkívül az adalék részecskék a rézmátrixban diszpergálódnak úgy, hogy a por megolvadásakor feloldódnak az olvadékmedencében, és a megszilárdulás során újra kicsapódnak, így erősítik meg a rezet anélkül, hogy jelentősen csökkentenék a hő/elektromos vezetőképességét. Az adalék részecskékre vonatkozó szűrési kritériumok a következők: (1) a részecskék alkotóelemeinek szilárd oldhatósága rézben minimális legyen, hogy minimálisra csökkentsék a hő/elektromos vezetőképességre gyakorolt kedvezőtlen hatásukat, és maximalizálják a nanorészecskék újrakicsapódásának lehetőségét megszilárdulás; (2) a részecskéknek alacsony olvadásponttal kell rendelkezniük, hogy megkönnyítsék beolvadásukat az olvadt medencébe, és gyengítsék az újrakicsapódott nanorészecskék durvulási lehetőségét a megszilárdulás során; (3) a részecskéknek alacsony nedvesítési ponttal kell rendelkezniük a folyékony rézben, és alacsony nedvesítési szöggel kell rendelkezniük, hogy megakadályozzák az újrakicsapott nanorészecskék agglomerációját a folyékony rézben. Ezen tervezési ötlet alapján azt találtuk, hogy a lantán-hexaborid (LaB6) megfelel a fenti kritériumoknak. Nyomnyi LaB6 nanorészecskék hozzáadásával nagy sűrűségű és nagy teljesítményű rezet és annak geometriailag összetett részeit valósították meg lézeres adalékgyártással.
A kapcsolódó munka a Nature Communications nemzetközi folyóiratban jelent meg "Nagy szilárdságú és nagy vezetőképességű réz gyártása lézerporágy-fúzióval" címmel. Kommunikáció. Dr. Yinggang Liu (jelenleg a Northwestern Polytechnical University Repüléstudományi Karának professzora) és Dr. Jingqi Zhang a Queenslandi Egyetemről az első társszerzők, míg Prof. Mingxing Zhang a Queenslandi Egyetemről, Dr. Ranming Niu a Sydney Egyetem munkatársa és Prof. Christopher Hutchinson a Monash Egyetemről a társszerzők.
Kép.
Az additív gyártás (AM) vagy a 3D nyomtatás lehetővé teszi geometriailag összetett réz alkatrészek gyors gyártását, és széleskörű felhasználási területe van a hőkezelésben és az elektromos vezetőképességben. A tiszta réz azonban puha, míg az infravörös lézerekkel szembeni nagy visszaverő képessége általában nagy porozitású 3D nyomtatott alkatrészeket eredményez, ami csökkenti a teljesítményüket. Bár a zöld lézerekkel vagy elektronsugarakkal végzett additív gyártás során nagy sűrűségű tiszta réz alkatrészeket lehet nyomtatni, a tiszta réz alacsony szilárdsága szobahőmérsékleten és képtelensége ellenállni a hőlágyulásnak korlátozza az additív gyártású, nagy mechanikai terhelésnek kitett rézrészek alkalmazását. hőmérsékletek. Ha a tiszta rézhez olyan elemeket adunk, mint a Cr, Co, Fe és Zr, annak ötvözésével növelhetjük a lézer abszorpcióját és megerősíthetjük a szubsztrátumot, de ez a módszer jelentősen csökkenti a réz hő/elektromos vezetőképességét a rézben való nagy szilárdanyag-oldhatósága miatt. Egy másik megközelítés a tiszta rézzel nem elegyedő külső részecskék (Al2O3, TiB2 stb.) hozzáadása a réz megerősítése érdekében, miközben a magas hő/elektromos vezetőképességet megtartják. A gyakorlatban azonban a nanorészecskék agglomerációja miatt rendkívül nehéznek bizonyul jelentős erősítés elérése a hajlékonyság és a sérüléstűrés veszélyeztetése nélkül. Ennek eredményeként az összeférhetetlen külső részecskék ötvözése vagy hozzáadása növelheti a szilárdságot és javíthatja a lézerabszorpciós tulajdonságokat, de általában jelentősen csökken a hő/elektromos vezetőképesség és a hajlékonyság. A nagy szilárdságú, nagy vezetőképességű réz alkatrészek 3D nyomtatása továbbra is sürgető kihívást jelent. .
Itt bemutatunk egy lézeradalékos gyártási módszert nagy sűrűségű, nagy teljesítményű réz alkatrészek előállítására kis mennyiségű lantán-hexaborid (LaB6) nanorészecskék hozzáadásával a tiszta rézporhoz lézerporágy-fúzióval (L-PBF). Ennek a módszernek a kulcsa a megfelelő részecskék bejuttatása a tiszta rézbe, amelyek fokozzák a tiszta réz lézeres abszorpcióját, majd az olvadékmedencében való feloldódás és a megszilárdulás során újra kicsapódik. A LaB6-ot nagy lézerabszorpciója, jó elektromos vezetőképessége, alacsony olvadáspontja és folyékony rézzel való alacsony nedvesítési szöge alapján választották ki. A LaB6-nak kettős szerepe van. Először is, javítja a tiszta réz lézeres abszorpcióját, így elősegíti a por jobb fúzióját. Másodszor, az a képessége, hogy a porfúzió során megolvad, majd a megszilárdulás során diffúz eloszlású nanorészecskékként kicsapódik, nem csak növeli az anyag szilárdságát, hanem megőrzi a nagyobb rugalmasságot és a magas hő/elektromos vezetőképességet is. 1 tömeg% LaB6-adalékolt réz mutat a folyáshatár 346,8 MPa, ami 3,7-szer nagyobb, mint a tiszta rézé, valamint a törési hajlékonysága 22,8%, 98,4%, és magas, 1,4%-os hő/elektromos vezetőképessége. szintén jó jelölt az IACS-re (International Annealed Pure Copper Scheme). IACS (International Heat Copper Standard) elektromos vezetőképessége, 387 W/mK hővezető képessége és kiváló lágyulásállósága 1050 fokon, ami közel áll a tiszta réz olvadáspontjához. Ezen túlmenően a módszer alkalmazhatóságát geometriailag összetett részekre is bemutatja ez a tanulmány. Az újonnan kifejlesztett LaB{23}}adalékolt réz fontos hiányt pótol az ötvözetek 3D-nyomtatásában, és alkalmas nagy mechanikai terhelésekre és magas hőmérsékletű környezetekre. Mivel az egyenletesen diszpergált nanorészecskéket általában fémes anyagok megerősítésére használják, ez az olvadáskor és megszilárduláskor történő újrakicsapás tervezési stratégiája kiterjeszthető más ötvözetrendszerekre is, nyomtatásra kész, nagy teljesítményű anyagok fejlesztésére.
1. ábra Lézeres porágyas olvasztással előállított tiszta és LaB{1}}adalékolt réz mikroszerkezeti és lézerreflexiós vizsgálati eredményei
2. ábra Lézeres porágyas olvasztással előállított LaB6-adalékolt réz nanorészecske-analízise
3. ábra A lézeres porágyas olvasztással előállított LaB6 adalékolt réz APT elemi jellemzése
4. ábra Lézeres porágyas olvasztással előállított LaB6-adalékolt réz mechanikai tulajdonságai és elektromos vezetőképességi vizsgálati eredményei.
5. ábra Lézeres porágyas olvasztással készített LaB6 adalékolt rézpontok kompressziós vizsgálati eredményei
