У апликацијама за управљање топлотом и електричну проводљивост, критично је имати могућност производње делова од бакра (Цу) који су потпуно густи, високо топлотно/проводљиви и имају одлична механичка својства. Адитивна производња (АМ), или 3Д штампа, пружа прилику без преседана за производњу Цу делова сложене геометрије. Међутим, чисти Цу веома рефлектује инфрацрвене ласере, тако да делови од чистог Цу штампани помоћу опреме за производњу ласерских адитива обично имају високу порозност, што смањује њихову механичку и топлотну/електричну проводљивост. Иако се висока густина делова чистог бакра може произвести опремом за адитивну производњу опремљену зеленим ласерима кратких таласа или електронским сноповима, инхерентна ниска чврстоћа чистог бакра и његова неспособност да се одупре термичком омекшавању спречили су примену делова бакра произведених ласерским адитивом на висока механичка оптерећења и високе температуре.
У циљу решавања наведених проблема тим проф. Ксингкинг Зханг са Универзитета Квинсленд, Аустралија, у сарадњи са проф. Цхристопхером Хутцхинсоном са Монасх универзитета, проф. Јулие Цаирнеи са Универзитета у Сиднеју, проф. Миао-Куан Ли са Северозападног политехничког универзитета, проф. Ксиаоку Хуанг са Универзитета Цхонгкинг, проф. Јеспер Хенри Хаттел са Универзитета науке и технологије у Данској и проф. Марк Еастон са Универзитета РМИТ, раде заједно на производњи бакарних делова високе густине. Проф. Марк Еастон, Универзитет РМИТ, и други тимови су сарађивали како би предложили стратегију дизајна за 3Д штампање бакра високе чврстоће и високе проводљивости. Кључ стратегије дизајна је да се изабере честица адитива која је хомогено помешана са чистим бакарним прахом како би се осигурало да побољшава ласерску апсорпцију чистог бакра када ласер ступи у интеракцију са прахом. Поред тога, честице адитива се распршују у бакарној матрици тако што се растварају у базену растопа када се прах растопи и поново таложе током очвршћавања, чиме се јача бакар без значајног смањења његове топлотне/електричне проводљивости. Критеријуми скрининга за честице адитива су следећи: (1) чврста растворљивост саставних елемената честица у бакру треба да буде минимална да би се минимизирао њихов негативан утицај на топлотну/електричну проводљивост и да би се максимизирао потенцијал за поновно таложење наночестица након солидификација; (2) честице треба да имају ниску тачку топљења да би се олакшало њихово топљење у растопљеном базену и да би се ослабио потенцијал за грубљење поново таложених наночестица током очвршћавања; (3) честице треба да имају ниску тачку влажења у течном бакру треба да имају низак угао влажења како би се спречила агломерација поново преципитираних наночестица у течном бакру. На основу ове дизајнерске идеје, открили смо да лантан хексаборид (ЛаБ6) испуњава горе наведене критеријуме. Додавањем у траговима наночестица ЛаБ6, бакар високе густине и високих перформанси и његови геометријски сложени делови су реализовани производњом ласерских адитива.
Сродни рад је објављен у врхунском међународном часопису Натуре Цоммуницатионс под насловом "Производња бакра високе чврстоће и високе проводљивости са фузијом ласерског слоја праха". Комуникације. Др Јинганг Лиу (сада професор на Факултету аеронаутике, Северозападни политехнички универзитет) и др Јингки Зханг са Универзитета Квинсленд су први аутори, док су проф. Мингкинг Зханг са Универзитета Квинсленда, др Ранминг Ниу са Универзитета у Сиднеју, и проф. Цхристопхер Хутцхинсон са Универзитета Монасх су ко-кореспондентни аутори.
Слика.
Адитивна производња (АМ), или 3Д штампа, омогућава брзу производњу геометријски сложених бакарних делова и има широк спектар примена у управљању топлотом и електричној проводљивости. Међутим, чисти бакар је мекан, док његова висока рефлексивност на инфрацрвене ласере обично резултира 3Д штампаним деловима са великом порозношћу, што смањује њихове перформансе. Иако адитивна производња помоћу зелених ласера или електронских зрака може штампати делове од чистог бакра велике густине, инхерентна ниска чврстоћа чистог бакра на собној температури и његова неспособност да се одупре термичком омекшавању ограничавају примену адитивно произведених делова од бакра који су изложени великим механичким оптерећењима и високим температуре. Додавање елемената као што су Цр, Цо, Фе и Зр чистом бакру легирањем може повећати апсорпцију ласера и ојачати подлогу, али овај метод значајно смањује топлотну/електричну проводљивост бакра због њихове високе растворљивости у чврстом стању у бакру. Други приступ је додавање спољашњих честица (Ал2О3, ТиБ2, итд.) које се не мешају са чистим бакром да би се ојачао бакар уз одржавање високе топлотне/електричне проводљивости. Међутим, у пракси, због агломерације наночестица, показало се да је изузетно тешко постићи значајно ојачање без угрожавања дуктилности и толеранције оштећења. Као резултат тога, легирање или додавање некомпатибилних спољашњих честица може повећати снагу и побољшати својства ласерске апсорпције, али обично доводи до значајног смањења топлотне/електричне проводљивости и дуктилности. 3Д штампање бакарних делова високе чврстоће и високе проводљивости остаје неодложан изазов .
Овде демонстрирамо метод производње ласерских адитива за припрему бакарних делова високе густине и високих перформанси додавањем мале количине наночестица лантан хексаборида (ЛаБ6) чистом бакарном праху фузијом ласерског слоја праха (Л-ПБФ). Кључ за ову методу је увођење одговарајућих честица у чисти бакар које појачавају ласерску апсорпцију чистог бакра, након чега следи растварање у базену растопа и поновно таложење током очвршћавања. ЛаБ6 је изабран на основу његове високе ласерске апсорпције, добре електричне проводљивости, ниске тачке топљења и ниског угла влажења течним бакром. ЛаБ6 има двоструку улогу. Прво, побољшава ласерску апсорпцију чистог бакра, чиме се фаворизује боље спајање праха. Друго, његова способност да се топи током фузије праха и затим поново таложи као дифузно распоређене наночестице током очвршћавања не само да повећава чврстоћу материјала, већ и одржава већу дуктилност и високу топлотну/електричну проводљивост. 1вт% ЛаБ6-допираног бакра показује границу течења од 346,8 МПа, 3,7 пута већа од оне код чистог бакра, као и дуктилност лома од 22,8%, 98,4% и високу топлотну/електричну проводљивост од 1,4%.1% теж. је такође добар кандидат за ИАЦС (Интернатионал Аннеалед Пуре Цоппер Сцхеме). ИАЦС (Интернатионал Аннеалед Цоппер Стандард) електрична проводљивост, топлотна проводљивост од 387 В/мК и одлична отпорност на омекшавање на 1050 степени, што је близу тачке топљења чистог бакра. Поред тога, примењивост методе на геометријски сложене делове је такође приказана у овој студији. Новоразвијени ЛаБ{23}}допирани бакар попуњава важну празнину у 3Д штампању легура и погодан је за велика механичка оптерећења и окружења са високим температурама. Пошто се једнолико дисперговане наночестице обично користе за јачање металних материјала, ова стратегија дизајна репреципитације при топљењу и очвршћавању може се проширити на друге системе легура за развој материјала високих перформанси спремних за штампу.
Слика 1. Резултати испитивања микроструктуре и ласерске рефлексије чистог и ЛаБ6-допираног бакра припремљеног топљењем у слоју ласерског праха
Слика 2 Анализа наночестица бакра допираног ЛаБ6-припремљеног топљењем ласерског слоја праха
Слика 3 АПТ елементарна карактеризација бакра допираног ЛаБ6 добијеног топљењем ласерског слоја праха
Слика 4. Резултати испитивања механичких својстава и електричне проводљивости бакра допираног ЛаБ6-припремљеним ласерским топљењем у слоју праха.
Слика 5 Резултати теста компресије бакарних тачака допираних ЛаБ6 добијених топљењем ласерског слоја праха
