Bei Wärmemanagement- und elektrischen Leitfähigkeitsanwendungen ist es von entscheidender Bedeutung, Kupferteile (Cu) herstellen zu können, die vollständig dicht sind, eine hohe Wärme-/Leitfähigkeit aufweisen und hervorragende mechanische Eigenschaften aufweisen. Additive Fertigung (AM) oder 3D-Druck bietet eine beispiellose Möglichkeit, Cu-Teile mit komplexen Geometrien herzustellen. Reines Cu reflektiert jedoch Infrarotlaser stark, sodass reine Cu-Teile, die mit häufig verwendeten Laseradditive-Fertigungsgeräten gedruckt werden, tendenziell eine hohe Porosität aufweisen, was ihre mechanische und thermische/elektrische Leitfähigkeit verringert. Obwohl hohe Dichten reiner Kupferteile durch additive Fertigungsanlagen hergestellt werden können, die mit kurzwelligen grünen Lasern oder Elektronenstrahlen ausgestattet sind, haben die inhärente geringe Festigkeit von reinem Kupfer und seine Unfähigkeit, thermischer Erweichung zu widerstehen, den Einsatz laseradditiv gefertigter Kupferteile verhindert hohe mechanische Belastungen und hohe Temperaturen.
Um die oben genannten Probleme zu lösen, hat das Team von Prof. Xingxing Zhang von der University of Queensland, Australien, in Zusammenarbeit mit Prof. Christopher Hutchinson von der Monash University, Prof. Julie Cairney von der University of Sydney und Prof. Miao-Quan Li von der Northwestern Polytechnical University, Prof. Xiaoxu Huang von der Chongqing University, Prof. Jesper Henri Hattel von der University of Science and Technology of Denmark und Prof. Mark Easton von der RMIT University haben zusammengearbeitet, um Kupferteile mit hoher Dichte herzustellen. Prof. Mark Easton von der RMIT University und andere Teams haben zusammengearbeitet, um eine Designstrategie für den 3D-Druck von hochfestem und hochleitfähigem Kupfer vorzuschlagen. Der Schlüssel zur Designstrategie liegt in der Auswahl eines Zusatzpartikels, das homogen mit dem reinen Kupferpulver vermischt wird, um sicherzustellen, dass es die Laserabsorption des reinen Kupfers verbessert, wenn der Laser mit dem Pulver interagiert. Darüber hinaus werden die Additivpartikel in der Kupfermatrix dispergiert, indem sie sich beim Schmelzen des Pulvers im Schmelzbad auflösen und beim Erstarren wieder ausfallen, wodurch das Kupfer gestärkt wird, ohne seine thermische/elektrische Leitfähigkeit wesentlich zu verringern. Die Screening-Kriterien für die Additivpartikel lauten wie folgt: (1) Die feste Löslichkeit der Bestandteile der Partikel in Kupfer sollte minimal sein, um ihre nachteilige Wirkung auf die thermische/elektrische Leitfähigkeit zu minimieren und das Potenzial für eine erneute Ausfällung der Nanopartikel darauf zu maximieren Erstarrung; (2) die Partikel sollten einen niedrigen Schmelzpunkt haben, um ihr Einschmelzen in das Schmelzbad zu erleichtern und die Möglichkeit einer Vergröberung der wiederausgefällten Nanopartikel während der Erstarrung abzuschwächen; (3) Die Partikel sollten einen niedrigen Benetzungspunkt im flüssigen Kupfer haben. Sie sollten einen niedrigen Benetzungswinkel haben, um eine Agglomeration der wiederausgefällten Nanopartikel im flüssigen Kupfer zu verhindern. Basierend auf dieser Designidee haben wir herausgefunden, dass Lanthanhexaborid (LaB6) die oben genannten Kriterien erfüllt. Durch die Zugabe von Spurenmengen von LaB6-Nanopartikeln wurden hochdichtes und leistungsstarkes Kupfer und seine geometrisch komplexen Teile durch laseradditive Fertigung realisiert.
Die entsprechende Arbeit wurde in der internationalen Top-Fachzeitschrift Nature Communications unter dem Titel „Manufacturing of high Strength and High Conductivity Copper with Laser Powder Bed Fusion“ veröffentlicht. Kommunikation. Dr. Yinggang Liu (jetzt Professor an der School of Aeronautics der Northwestern Polytechnical University) und Dr. Jingqi Zhang von der University of Queensland sind die Co-Erstautoren, während Prof. Mingxing Zhang von der University of Queensland Dr. Ranming Niu ist von der University of Sydney und Prof. Christopher Hutchinson von der Monash University sind die mitkorrespondierenden Autoren.
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Additive Fertigung (AM) oder 3D-Druck ermöglicht die schnelle Herstellung geometrisch komplexer Kupferteile und bietet ein breites Anwendungsspektrum im Wärmemanagement und in der elektrischen Leitfähigkeit. Reines Kupfer ist jedoch weich, während sein hohes Reflexionsvermögen für Infrarotlaser typischerweise zu 3D-gedruckten Teilen mit hoher Porosität führt, was ihre Leistung verringert. Obwohl die additive Fertigung mit grünen Lasern oder Elektronenstrahlen Teile aus reinem Kupfer mit hoher Dichte drucken kann, schränken die inhärente geringe Festigkeit von reinem Kupfer bei Raumtemperatur und seine Unfähigkeit, einer thermischen Erweichung zu widerstehen, die Anwendung additiv gefertigter Kupferteile ein, die hohen mechanischen Belastungen und hohen Belastungen ausgesetzt sind Temperaturen. Das Hinzufügen von Elementen wie Cr, Co, Fe und Zr zu reinem Kupfer durch Legieren kann die Laserabsorption erhöhen und das Substrat stärken, diese Methode verringert jedoch die thermische/elektrische Leitfähigkeit von Kupfer aufgrund ihrer hohen Feststofflöslichkeit in Kupfer erheblich. Ein anderer Ansatz besteht darin, externe Partikel (Al2O3, TiB2 usw.) hinzuzufügen, die mit reinem Kupfer nicht mischbar sind, um das Kupfer zu stärken und gleichzeitig eine hohe thermische/elektrische Leitfähigkeit aufrechtzuerhalten. In der Praxis erweist es sich jedoch aufgrund der Nanopartikelagglomeration als äußerst schwierig, eine signifikante Festigkeit zu erreichen, ohne die Duktilität und Schadenstoleranz zu beeinträchtigen. Infolgedessen kann das Legieren oder Hinzufügen inkompatibler externer Partikel die Festigkeit erhöhen und die Laserabsorptionseigenschaften verbessern, führt jedoch normalerweise zu einer erheblichen Verringerung der thermischen/elektrischen Leitfähigkeit und Duktilität. Der 3D-Druck hochfester Kupferteile mit hoher Leitfähigkeit bleibt eine dringende Herausforderung .
Hier demonstrieren wir eine laseradditive Fertigungsmethode zur Herstellung hochdichter Hochleistungskupferteile durch Zugabe einer kleinen Menge Lanthanhexaborid (LaB6)-Nanopartikel zu reinem Kupferpulver durch Laserpulverbettschmelzen (L-PBF). Der Schlüssel zu dieser Methode ist das Einbringen geeigneter Partikel in das reine Kupfer, die die Laserabsorption des reinen Kupfers verstärken, gefolgt von der Auflösung im Schmelzbad und der erneuten Ausfällung während der Erstarrung. LaB6 wurde aufgrund seiner hohen Laserabsorption, guten elektrischen Leitfähigkeit, seines niedrigen Schmelzpunkts und seines geringen Benetzungswinkels mit flüssigem Kupfer ausgewählt. LaB6 hat eine doppelte Rolle. Erstens verbessert es die Laserabsorption von reinem Kupfer und begünstigt so eine bessere Verschmelzung des Pulvers. Zweitens erhöht seine Fähigkeit, während der Pulverschmelze zu schmelzen und anschließend während der Erstarrung als diffus verteilte Nanopartikel wieder auszufallen, nicht nur die Festigkeit des Materials, sondern sorgt auch für eine höhere Duktilität und eine hohe thermische/elektrische Leitfähigkeit. 1 Gew.-% LaB6--dotiertes Kupfer weist auf eine Streckgrenze von 346,8 MPa, 3,7-mal höher als die von reinem Kupfer, sowie eine Bruchduktilität von 22,8 %, 98,4 % und eine hohe thermische/elektrische Leitfähigkeit von 1,4 %.1 Gew.-% LaB6-dotiertes Kupfer ist auch ein guter Kandidat für das IACS (International Annealed Pure Copper Scheme). IACS (International Annealed Copper Standard) elektrische Leitfähigkeit, eine Wärmeleitfähigkeit von 387 W/mK und eine ausgezeichnete Erweichungsbeständigkeit bei 1050 Grad, was nahe am Schmelzpunkt von reinem Kupfer liegt. Darüber hinaus wird in dieser Studie auch die Anwendbarkeit der Methode auf geometrisch komplexe Teile demonstriert. Das neu entwickelte LaB6-dotierte Kupfer füllt eine wichtige Lücke im 3D-Druck von Legierungen und eignet sich für hohe mechanische Belastungen und Umgebungen mit hohen Temperaturen. Da zur Verstärkung metallischer Materialien üblicherweise gleichmäßig verteilte Nanopartikel verwendet werden, kann diese Designstrategie der Umfällung beim Schmelzen und Erstarren auf andere Legierungssysteme zur Entwicklung druckfertiger Hochleistungsmaterialien ausgeweitet werden.
Abbildung 1 Mikrostruktur- und Laserreflexionstestergebnisse von reinem und LaB6-dotiertem Kupfer, hergestellt durch Laser-Pulverbettschmelzen
Abbildung 2 Nanopartikelanalyse von LaB6-dotiertem Kupfer, hergestellt durch Laser-Pulverbettschmelzen
Abbildung 3 APT-Elementarcharakterisierung von LaB6-dotiertem Kupfer, hergestellt durch Laser-Pulverbettschmelzen
Abbildung 4 Testergebnisse zu mechanischen Eigenschaften und elektrischer Leitfähigkeit von LaB6--dotiertem Kupfer, hergestellt durch Laser-Pulverbettschmelzen.
Abbildung 5 Ergebnisse des Kompressionstests von LaB6-dotierten Kupferpunkten, die durch Laser-Pulverbettschmelzen hergestellt wurden
