Siltumvadības un elektriskās vadītspējas lietojumos ir ļoti svarīgi, lai būtu iespēja ražot vara (Cu) detaļas, kas ir pilnībā blīvas, ļoti siltumvadītspējīgas/vadošas un kurām ir izcilas mehāniskās īpašības. Piedevu ražošana (AM) jeb 3D druka sniedz vēl nebijušu iespēju ražot Cu daļas ar sarežģītu ģeometriju. Tomēr tīrs Cu ļoti atstaro infrasarkanos lāzerus, tāpēc tīrām Cu daļām, kas apdrukātas ar plaši izmantotām lāzera piedevu ražošanas iekārtām, mēdz būt augsta porainība, kas samazina to mehānisko un siltuma/elektrisko vadītspēju. Lai gan lielu tīra vara detaļu blīvumu var iegūt ar piedevu ražošanas iekārtām, kas aprīkotas ar īsviļņu garuma zaļajiem lāzeriem vai elektronu stariem, tīram vara raksturīgā zemā izturība un tā nespēja izturēt termisko mīkstināšanu ir kavējusi ar lāzera piedevām ražotu vara detaļu izmantošanu augsta mehāniskā slodze un augsta temperatūra.
Lai atrisinātu iepriekš minētās problēmas, prof. Sjinsjings Džans no Kvīnslendas Universitātes Austrālijā sadarbībā ar prof. Kristoferu Hačinsonu no Monašas universitātes, prof. Džūliju Kerniju no Sidnejas universitātes, prof. Miao-Kuaņ Li. no Ziemeļrietumu Politehniskās universitātes, profesors Sjaoksu Huangs no Čuncjinas universitātes, profesors Džespers Henri Hatels no Dānijas Zinātnes un tehnoloģijas universitātes un prof. Marks Īstons no RMIT universitātes ir strādājuši kopā, lai ražotu vara detaļas ar augstu blīvumu. Prof. Marks Īstons, RMIT Universitāte un citas komandas ir sadarbojušās, lai ierosinātu dizaina stratēģiju augstas stiprības un augstas vadītspējas vara 3D drukāšanai. Dizaina stratēģijas atslēga ir izvēlēties piedevas daļiņu, kas ir viendabīgi sajaukta ar tīra vara pulveri, lai nodrošinātu, ka tā uzlabo tīra vara lāzera absorbciju, kad lāzers mijiedarbojas ar pulveri. Turklāt piedevas daļiņas tiek izkliedētas vara matricā, izšķīdinot kausējuma baseinā, kad pulveris tiek izkusis, un atkārtoti izgulsnējas cietēšanas laikā, tādējādi nostiprinot varu, būtiski nesamazinot tā siltuma/elektrisko vadītspēju. Piedevu daļiņu skrīninga kritēriji ir šādi: (1) daļiņu sastāvdaļu cietajai šķīdībai varā jābūt minimālai, lai samazinātu to nelabvēlīgo ietekmi uz siltuma/elektrisko vadītspēju un maksimāli palielinātu nanodaļiņu atkārtotas nogulsnēšanās iespējamību sacietēšana; (2) daļiņām jābūt ar zemu kušanas temperatūru, lai atvieglotu to kušanu izkusušajā baseinā un vājinātu nogulsnēto nanodaļiņu rupjības iespējamību sacietēšanas laikā; (3) daļiņām jābūt ar zemu mitrināšanas punktu šķidrajā varā ar zemu mitrināšanas leņķi, lai novērstu nogulsnēto nanodaļiņu aglomerāciju šķidrā varā. Pamatojoties uz šo dizaina ideju, mēs noskaidrojām, ka lantāna heksaborīds (LaB6) atbilst iepriekš minētajiem kritērijiem. Pievienojot nelielu daudzumu LaB6 nanodaļiņu, ar lāzera piedevu ražošanu tika realizēts augsts blīvums un augstas veiktspējas varš un tā ģeometriski sarežģītās daļas.
Saistītais darbs tika publicēts populārākajā starptautiskajā žurnālā Nature Communications ar nosaukumu "Augstas stiprības un augstas vadītspējas vara ražošana ar lāzera pulvera slāņa saplūšanu". Komunikācijas. Dr. Yinggang Liu (tagad profesors Aeronautikas skolā, Ziemeļrietumu Politehniskajā universitātē) un Dr. Jingqi Zhang no Kvīnslendas Universitātes ir līdzautori, savukārt profesors Mingsings Džans no Kvīnslendas Universitātes, Dr. Ranmings Niu Sidnejas Universitātes un profesors Kristofers Hačinsons no Monašas universitātes ir līdzautori.
Attēls.
Piedevu ražošana (AM) jeb 3D drukāšana ļauj ātri izgatavot ģeometriski sarežģītas vara detaļas, un tai ir plašs pielietojums siltuma pārvaldībā un elektrovadītspējā. Tomēr tīrs varš ir mīksts, savukārt tā augstā atstarošana pret infrasarkanajiem lāzeriem parasti rada 3D drukātas detaļas ar augstu porainību, kas samazina to veiktspēju. Lai gan piedevu ražošana, izmantojot zaļos lāzerus vai elektronu starus, var izdrukāt tīra vara daļas ar augstu blīvumu, tīra vara raksturīgā zemā izturība istabas temperatūrā un tā nespēja pretoties termiskai mīkstināšanai ierobežo ar piedevām ražotu vara detaļu izmantošanu, kas pakļautas lielai mehāniskai slodzei un lielai. temperatūras. Elementu, piemēram, Cr, Co, Fe un Zr, pievienošana tīram vara, to sakausējot, var palielināt lāzera absorbciju un stiprināt substrātu, taču šī metode ievērojami samazina vara siltuma/elektrisko vadītspēju, pateicoties to augstajai cieto vielu šķīdībai varā. Vēl viena pieeja ir pievienot ārējās daļiņas (Al2O3, TiB2 utt.), kas nesajaucas ar tīru varu, lai stiprinātu varu, vienlaikus saglabājot augstu siltuma/elektrisko vadītspēju. Tomēr praksē nanodaļiņu aglomerācijas dēļ ir ārkārtīgi grūti iegūt ievērojamu stiprinājumu, neapdraudot elastību un bojājumu toleranci. Rezultātā nesaderīgu ārējo daļiņu sakausēšana vai pievienošana var palielināt izturību un uzlabot lāzera absorbcijas īpašības, taču parasti tas ievērojami samazina siltuma/elektrisko vadītspēju un elastību. Augstas izturības, augstas vadītspējas vara detaļu 3D drukāšana joprojām ir neatliekams izaicinājums. .
Šeit mēs demonstrējam lāzera piedevu ražošanas metodi augsta blīvuma, augstas veiktspējas vara detaļu sagatavošanai, pievienojot nelielu daudzumu lantāna heksaborīda (LaB6) nanodaļiņu tīram vara pulverim ar lāzera pulvera slāņa saplūšanu (L-PBF). Šīs metodes atslēga ir atbilstošu daļiņu ievadīšana tīrā varā, kas uzlabo tīra vara lāzera absorbciju, kam seko šķīšana kausējuma baseinā un atkārtota nogulsnēšanās sacietēšanas laikā. LaB6 tika izvēlēts, pamatojoties uz tā augsto lāzera absorbciju, labu elektrovadītspēju, zemu kušanas temperatūru un zemu mitrināšanas leņķi ar šķidru varu. LaB6 ir divējāda loma. Pirmkārt, tas uzlabo tīra vara lāzera absorbciju, tādējādi veicinot labāku pulvera saplūšanu. Otrkārt, tā spēja izkausēt pulvera saplūšanas laikā un pēc tam atkārtoti nogulsnēties kā difūzi izkliedētas nanodaļiņas cietēšanas laikā ne tikai uzlabo materiāla izturību, bet arī saglabā lielāku elastību un augstu siltuma/elektrisko vadītspēju. tecēšanas robeža 346,8 MPa, kas ir 3,7 reizes lielāka nekā tīram vara, kā arī plastiskums plīsumā 22,8%, 98,4% un augsta siltuma/elektriskā vadītspēja 1,4%.1 masas% LaB6-leģēta vara ir arī labs kandidāts IACS (Starptautiskā rūdīta tīra vara shēma). IACS (starptautiskais rūdītā vara standarts) elektrovadītspēja, siltumvadītspēja 387 W/mK un lieliska izturība pret mīkstināšanu 1050 grādu temperatūrā, kas ir tuvu tīra vara kušanas temperatūrai. Turklāt šajā pētījumā ir parādīta arī metodes pielietojamība ģeometriski sarežģītām daļām. Jaunizstrādātais LaB{23}}leģētais varš aizpilda svarīgu robu sakausējumu 3D drukāšanā un ir piemērots augstām mehāniskām slodzēm un augstas temperatūras vidēm. Tā kā metālisku materiālu stiprināšanai parasti tiek izmantotas vienmērīgi izkliedētas nanodaļiņas, šo atkārtotas nogulsnēšanas pēc kausēšanas un sacietēšanas dizaina stratēģiju var attiecināt uz citām sakausējumu sistēmām, lai izstrādātu drukai gatavus augstas veiktspējas materiālus.
1. attēls Tīra un LaB{1}}leģēta vara mikrostruktūras un lāzera atstarošanas testa rezultāti, kas iegūti, kausējot ar lāzera pulvera slāni.
2. attēls. LaB6-leģēta vara nanodaļiņu analīze, kas sagatavota ar lāzera pulvera slāņa kausēšanu
3. attēls LaB6 leģēta vara APT elementu raksturojums, kas sagatavots ar lāzera pulvera slāņa kausēšanu
4. attēls. LaB6-leģēta vara mehāniskās īpašības un elektriskās vadītspējas testa rezultāti, kas iegūti, kausējot ar lāzera pulvera slāni.
5. attēls Saspiešanas testa rezultāti LaB6 leģētiem vara punktiem, kas sagatavoti ar lāzera pulvera slāņa kausēšanu
