Nelle applicazioni di gestione termica e conduttività elettrica, è fondamentale avere la capacità di produrre parti in rame (Cu) che siano completamente dense, altamente conduttive dal punto di vista termico/conduttivo e con eccellenti proprietà meccaniche. La produzione additiva (AM), o stampa 3D, offre un’opportunità senza precedenti per produrre parti in rame con geometrie complesse. Tuttavia, il Cu puro riflette altamente i laser a infrarossi, quindi le parti in Cu puro stampate con apparecchiature di produzione additiva laser comunemente utilizzate tendono ad avere un'elevata porosità, che ne riduce la conduttività meccanica e termica/elettrica. Sebbene sia possibile produrre alte densità di parti in rame puro mediante apparecchiature di produzione additiva dotate di laser verdi a lunghezza d'onda corta o fasci di elettroni, la bassa resistenza intrinseca del rame puro e la sua incapacità di resistere al rammollimento termico hanno impedito l'applicazione di parti in rame prodotte tramite laser additivo a carichi meccanici elevati e temperature elevate.
Per risolvere i problemi di cui sopra, il team del Prof. Xingxing Zhang dell'Università del Queensland, Australia, in collaborazione con il Prof. Christopher Hutchinson della Monash University, la Prof. Julie Cairney dell'Università di Sydney, il Prof. Miao-Quan Li della Northwestern Polytechnical University, il Prof. Xiaoxu Huang dell'Università di Chongqing, il Prof. Jesper Henri Hattel dell'Università di Scienza e Tecnologia della Danimarca e il Prof. Mark Easton della RMIT University, hanno lavorato insieme per produrre parti in rame ad alta densità. Il professor Mark Easton, della RMIT University e altri team hanno collaborato per proporre una strategia di progettazione per la stampa 3D di rame ad alta resistenza e alta conduttività. La chiave della strategia di progettazione è selezionare una particella additiva miscelata in modo omogeneo con la polvere di rame puro per garantire che migliori l'assorbimento del laser del rame puro quando il laser interagisce con la polvere. Inoltre, le particelle dell'additivo vengono disperse nella matrice di rame dissolvendosi nel pool di fusione quando la polvere viene fusa e precipitando nuovamente durante la solidificazione, rafforzando così il rame senza ridurre significativamente la sua conduttività termica/elettrica. I criteri di screening per le particelle dell'additivo sono i seguenti: (1) la solubilità solida degli elementi costitutivi delle particelle nel rame dovrebbe essere minima per ridurre al minimo il loro effetto negativo sulla conduttività termica/elettrica e per massimizzare il potenziale di riprecipitazione delle nanoparticelle su solidificazione; (2) le particelle dovrebbero avere un basso punto di fusione per facilitarne la fusione nel pool fuso e per indebolire il potenziale di ingrossamento delle nanoparticelle riprecipitate durante la solidificazione; (3) le particelle dovrebbero avere un basso punto di bagnatura nel rame liquido per impedire l'agglomerazione delle nanoparticelle riprecipitate nel rame liquido. Sulla base di questa idea progettuale, abbiamo scoperto che l'esaboride di lantanio (LaB6) soddisfa i criteri di cui sopra. Aggiungendo tracce di nanoparticelle LaB6, il rame ad alta densità e ad alte prestazioni e le sue parti geometricamente complesse sono stati realizzati mediante produzione additiva laser.
Il lavoro correlato è stato pubblicato sulla prestigiosa rivista internazionale Nature Communications con il titolo "Produzione di rame ad alta resistenza e alta conduttività con fusione laser a letto di polvere". Comunicazioni. Il Dr. Yinggang Liu (ora professore alla School of Aeronautics, Northwestern Polytechnical University) e il Dr. Jingqi Zhang dell'Università del Queensland sono i co-primi autori, mentre il Prof. Mingxing Zhang dell'Università del Queensland, il Dr. Ranming Niu dell'Università di Sydney e il Prof. Christopher Hutchinson della Monash University sono gli autori corrispondenti.
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La produzione additiva (AM), o stampa 3D, consente la fabbricazione rapida di parti in rame geometricamente complesse e ha un’ampia gamma di applicazioni nella gestione termica e nella conduttività elettrica. Tuttavia, il rame puro è morbido, mentre la sua elevata riflettività ai laser a infrarossi si traduce in genere in parti stampate in 3D con elevata porosità, che ne riduce le prestazioni. Sebbene la produzione additiva utilizzando laser verdi o fasci di elettroni possa stampare parti in rame puro con densità elevate, la bassa resistenza intrinseca del rame puro a temperatura ambiente e la sua incapacità di resistere all'ammorbidimento termico limitano l'applicazione di parti in rame prodotte tramite addizione soggette a carichi meccanici elevati e ad elevate temperature. L'aggiunta di elementi come Cr, Co, Fe e Zr al rame puro mediante lega può aumentare l'assorbimento del laser e rafforzare il substrato, ma questo metodo riduce significativamente la conduttività termica/elettrica del rame a causa della sua elevata solubilità solida nel rame. Un altro approccio consiste nell'aggiungere particelle esterne (Al2O3, TiB2, ecc.) che sono immiscibili con il rame puro per rafforzare il rame mantenendo un'elevata conduttività termica/elettrica. Tuttavia, in pratica, a causa dell’agglomerazione delle nanoparticelle, risulta estremamente difficile ottenere un rafforzamento significativo senza compromettere la duttilità e la tolleranza al danno. Di conseguenza, la lega o l’aggiunta di particelle esterne incompatibili può aumentare la resistenza e migliorare le proprietà di assorbimento del laser, ma di solito si traduce in una significativa diminuzione della conduttività termica/elettrica e della duttilità. La stampa 3D di parti in rame ad alta resistenza e alta conduttività rimane una sfida urgente .
Qui, dimostriamo un metodo di produzione additiva laser per la preparazione di parti in rame ad alta densità e ad alte prestazioni aggiungendo una piccola quantità di nanoparticelle di esaboruro di lantanio (LaB6) alla polvere di rame puro mediante fusione laser a letto di polvere (L-PBF). La chiave di questo metodo è l'introduzione di particelle appropriate nel rame puro che migliorano l'assorbimento laser del rame puro, seguita dalla dissoluzione nel bagno di fusione e dalla riprecipitazione durante la solidificazione. LaB6 è stato scelto in base al suo elevato assorbimento laser, buona conduttività elettrica, basso punto di fusione e basso angolo di bagnatura con rame liquido. LaB6 ha un duplice ruolo. Innanzitutto migliora l'assorbimento del laser del rame puro, favorendo così una migliore fusione della polvere. In secondo luogo, la sua capacità di sciogliersi durante la fusione delle polveri e successivamente di riprecipitarsi come nanoparticelle distribuite diffusamente durante la solidificazione non solo migliora la resistenza del materiale, ma mantiene anche una maggiore duttilità e un'elevata conduttività termica/elettrica. Il rame drogato con 1% in peso di LaB6- presenta un carico di snervamento di 346,8 MPa, 3,7 volte superiore a quello del rame puro, nonché una duttilità alla frattura del 22,8%, 98,4% e un'elevata conduttività termica/elettrica dell'1,4%.1% in peso di rame drogato con LaB6- è anche un buon candidato per lo IACS (International Annealed Pure Copper Scheme). Conducibilità elettrica IACS (International Annealed Copper Standard), conduttività termica di 387 W/mK ed eccellente resistenza all'ammorbidimento a 1050 gradi, che è vicino al punto di fusione del rame puro. Inoltre, in questo studio viene dimostrata anche l’applicabilità del metodo a parti geometricamente complesse. Il rame drogato LaB6-di nuova concezione colma un'importante lacuna nella stampa 3D di leghe ed è adatto per carichi meccanici elevati e ambienti ad alta temperatura. Poiché le nanoparticelle uniformemente disperse sono comunemente utilizzate per rinforzare i materiali metallici, questa strategia di progettazione di riprecipitazione dopo fusione e solidificazione può essere estesa ad altri sistemi di leghe per lo sviluppo di materiali ad alte prestazioni pronti per la stampa.
Figura 1 Risultati dei test sulla microstruttura e sulla riflettività laser del rame puro e drogato con LaB6- preparato mediante fusione laser con letto di polvere
Figura 2 Analisi delle nanoparticelle di rame drogato con LaB6- preparato mediante fusione laser del letto di polvere
Figura 3 Caratterizzazione elementare APT del rame drogato LaB6 preparato mediante fusione laser a letto di polvere
Figura 4 Proprietà meccaniche e risultati dei test di conduttività elettrica del rame drogato con LaB6- preparato mediante fusione laser del letto di polvere.
Figura 5 Risultati del test di compressione di punti di rame drogato LaB6 preparati mediante fusione laser del letto di polvere
