U primjenama upravljanja toplinom i električnom provodljivošću, kritično je imati sposobnost proizvodnje bakrenih (Cu) dijelova koji su potpuno gusti, visoko toplinski/konduktivno provodljivi i imaju odlična mehanička svojstva. Aditivna proizvodnja (AM), ili 3D štampa, pruža priliku bez presedana za proizvodnju Cu delova složene geometrije. Međutim, čisti Cu veoma reflektuje infracrvene lasere, tako da delovi čistog Cu štampani pomoću opreme za proizvodnju laserskih aditiva obično imaju visoku poroznost, što smanjuje njihovu mehaničku i toplotnu/električnu provodljivost. Iako se visoka gustina dijelova od čistog bakra može proizvesti opremom za aditivnu proizvodnju opremljenu kratkovalnim zelenim laserima ili elektronskim zrakama, inherentna niska čvrstoća čistog bakra i njegova nesposobnost da se odupre termičkom omekšavanju spriječila je primjenu aditivno proizvedenih bakrenih dijelova na visoka mehanička opterećenja i visoke temperature.
U cilju rješavanja navedenih problema, tim prof. Xingxing Zhang sa Univerziteta Queensland, Australija, u saradnji sa prof. Christopherom Hutchinsonom sa Monash univerziteta, prof. Julie Cairney sa Univerziteta u Sidneju, prof. Miao-Quan Li sa Sjeverozapadnog politehničkog univerziteta, prof. Xiaoxu Huang sa Univerziteta Chongqing, prof. Jesper Henri Hattel sa Univerziteta nauke i tehnologije u Danskoj i prof. Mark Easton sa Univerziteta RMIT, rade zajedno na proizvodnji bakarnih dijelova visoke gustine. Prof. Mark Easton, Univerzitet RMIT, i drugi timovi su sarađivali kako bi predložili strategiju dizajna za 3D štampanje bakra visoke čvrstoće i visoke provodljivosti. Ključ strategije dizajna je da se odabere čestica aditiva koja je homogeno pomešana sa prahom čistog bakra kako bi se osiguralo da pojača lasersku apsorpciju čistog bakra kada laser interaguje sa prahom. Osim toga, čestice aditiva se raspršuju u bakrenoj matrici tako što se rastvaraju u bazenu taline kada se prah otopi i ponovo talože tokom skrućivanja, čime se jača bakar bez značajnog smanjenja njegove toplinske/električne provodljivosti. Kriterijumi skrininga za čestice aditiva su sledeći: (1) čvrsta rastvorljivost sastavnih elemenata čestica u bakru treba da bude minimalna kako bi se minimizirao njihov negativan uticaj na toplotnu/električnu provodljivost i kako bi se maksimizirao potencijal za ponovno taloženje nanočestica na skrućivanje; (2) čestice treba da imaju nisku tačku topljenja kako bi se olakšalo njihovo topljenje u rastopljenom bazenu i da bi se oslabio potencijal za grubljenje ponovo taloženih nanočestica tokom skrućivanja; (3) čestice treba da imaju nisku tačku vlaženja u tekućem bakru treba da imaju nizak ugao vlaženja kako bi se sprečila aglomeracija ponovo taloženih nanočestica u tečnom bakru. Na osnovu ove dizajnerske ideje, otkrili smo da lantan heksaborid (LaB6) ispunjava gore navedene kriterije. Dodavanjem u tragovima nanočestica LaB6, bakar visoke gustine i visokih performansi i njegovi geometrijski složeni delovi su ostvareni laserskom aditivnom proizvodnjom.
Srodni rad objavljen je u vrhunskom međunarodnom časopisu Nature Communications pod naslovom "Proizvodnja bakra visoke čvrstoće i visoke provodljivosti sa fuzijom laserskog sloja praha". Komunikacije. Dr Yinggang Liu (sada profesor na Fakultetu aeronautike, Sjeverozapadni politehnički univerzitet) i dr Jingqi Zhang sa Univerziteta Queensland su prvi autori, dok su prof. Mingxing Zhang sa Univerziteta Queensland, dr Ranming Niu sa Univerziteta u Sidneju, i prof. Christopher Hutchinson sa Univerziteta Monash su korespondentni autori.
Slika.
Aditivna proizvodnja (AM), ili 3D štampa, omogućava brzu proizvodnju geometrijski složenih bakrenih delova i ima širok spektar primena u upravljanju toplotom i električnom provodljivošću. Međutim, čisti bakar je mekan, dok njegova visoka refleksija na infracrvene lasere obično rezultira 3D štampanim dijelovima visoke poroznosti, što smanjuje njihove performanse. Iako aditivna proizvodnja pomoću zelenih lasera ili elektronskih zraka može štampati delove od čistog bakra visoke gustine, inherentna niska čvrstoća čistog bakra na sobnoj temperaturi i njegova nesposobnost da se odupre termičkom omekšavanju ograničavaju primenu aditivno proizvedenih bakrenih delova koji su izloženi visokim mehaničkim opterećenjima i visokim temperature. Dodavanje elemenata kao što su Cr, Co, Fe i Zr čistom bakru legiranjem može povećati apsorpciju lasera i ojačati podlogu, ali ova metoda značajno smanjuje toplotnu/električnu provodljivost bakra zbog njihove visoke rastvorljivosti u čvrstom stanju u bakru. Drugi pristup je dodavanje vanjskih čestica (Al2O3, TiB2, itd.) koje se ne miješaju sa čistim bakrom kako bi se ojačao bakar uz održavanje visoke toplinske/električne provodljivosti. Međutim, u praksi, zbog aglomeracije nanočestica, pokazalo se da je izuzetno teško postići značajno ojačanje bez ugrožavanja duktilnosti i tolerancije oštećenja. Kao rezultat toga, legiranje ili dodavanje nekompatibilnih vanjskih čestica može povećati čvrstoću i poboljšati svojstva laserske apsorpcije, ali obično rezultira značajnim smanjenjem toplinske/električne provodljivosti i duktilnosti. 3D štampanje bakrenih dijelova visoke čvrstoće i visoke provodljivosti ostaje hitan izazov .
Ovdje demonstriramo metodu proizvodnje laserskih aditiva za pripremu dijelova bakra visoke gustine i visokih performansi dodavanjem male količine nanočestica lantan heksaborida (LaB6) čistom bakrenom prahu fuzijom laserskog sloja praha (L-PBF). Ključ ove metode je uvođenje odgovarajućih čestica u čisti bakar koje pojačavaju lasersku apsorpciju čistog bakra, nakon čega slijedi otapanje u bazenu taline i ponovno taloženje tokom skrućivanja. LaB6 je izabran na osnovu njegove visoke laserske apsorpcije, dobre električne provodljivosti, niske tačke topljenja i niskog ugla vlaženja tečnim bakrom. LaB6 ima dvostruku ulogu. Prvo, poboljšava lasersku apsorpciju čistog bakra, čime pogoduje boljoj fuziji praha. Drugo, njegova sposobnost da se topi tokom fuzije praha i kasnije taloži kao difuzno raspoređene nanočestice tokom skrućivanja ne samo da povećava čvrstoću materijala, već i održava veću duktilnost i visoku toplotnu/električnu provodljivost. 1wt% LaB{7}}dopiranog bakra pokazuje granicu tečenja od 346,8 MPa, 3,7 puta više od čistog bakra, kao i duktilnost loma od 22,8%, 98,4% i visoku toplotnu/električnu provodljivost od 1,4%.1% težinski bakra dopiranog LaB{19}} je također dobar kandidat za IACS (International Annealed Pure Copper Scheme). IACS (International Annealed Copper Standard) električna provodljivost, toplotna provodljivost od 387 W/mK, i odlična otpornost na omekšavanje na 1050 stepeni, što je blizu tačke topljenja čistog bakra. Osim toga, u ovoj studiji prikazana je i primjenjivost metode na geometrijski složene dijelove. Novorazvijeni LaB6-dopirani bakar popunjava važnu prazninu u 3D štampanju legura i pogodan je za velika mehanička opterećenja i okruženja sa visokim temperaturama. Budući da se jednoliko dispergovane nanočestice obično koriste za ojačavanje metalnih materijala, ova strategija dizajna reprecipitacije nakon topljenja i očvršćavanja može se proširiti na druge sisteme legura za razvoj materijala visokih performansi spremnih za štampu.
Slika 1. Rezultati ispitivanja mikrostrukture i laserske refleksije čistog i LaB6-dopiranog bakra pripremljenog topljenjem u sloju laserskog praha
Slika 2 Analiza nanočestica bakra dopiranog LaB6- pripremljenog topljenjem laserskog sloja praha
Slika 3 APT elementarna karakterizacija bakra dopiranog LaB6 pripremljenog laserskim topljenjem u sloju praha
Slika 4. Rezultati ispitivanja mehaničkih svojstava i električne provodljivosti LaB6-dopiranog bakra pripremljenog laserskim topljenjem u sloju praha.
Slika 5 Rezultati ispitivanja kompresije bakrenih tačaka dopiranih LaB6 pripremljenih topljenjem laserskog sloja praha
