ביישומי ניהול תרמי ומוליכות חשמלית, חיוני להיות בעל יכולת לייצר חלקי נחושת (Cu) שהם צפופים לחלוטין, מוליכים תרמית/מוליכות גבוהה ובעלי תכונות מכניות מצוינות. ייצור תוסף (AM), או הדפסת תלת מימד, מספק הזדמנות חסרת תקדים לייצר חלקי Cu עם גיאומטריות מורכבות. עם זאת, Cu טהור משקף מאוד לייזרים אינפרא אדום, כך שחלקי Cu טהורים המודפסים עם ציוד לייצור תוסף לייזר נפוץ נוטים להיות בעלי נקבוביות גבוהה, מה שמפחית את המוליכות המכנית והתרמית/חשמלית שלהם. למרות שניתן לייצר צפיפות גבוהה של חלקי נחושת טהורה על ידי ציוד לייצור תוסף המצויד בלייזרים ירוקים באורך גל קצר או בקרני אלקטרונים, החוזק הנמוך המובנה של נחושת טהורה וחוסר היכולת שלה להתנגד לריכוך תרמי מנעו את היישום של חלקי נחושת שיוצרו בלייזר באופן תוסף. עומסים מכניים גבוהים וטמפרטורות גבוהות.
על מנת לפתור את הבעיות הנ"ל, הצוות של פרופ' Xingxing Zhang מאוניברסיטת קווינסלנד, אוסטרליה, בשיתוף פרופ' כריסטופר האצ'ינסון מאוניברסיטת מונש, פרופ' ג'ולי קארני מאוניברסיטת סידני, פרופ' מיאו-קוואן לי. מאוניברסיטת Northwestern Polytechnical, פרופ' Xiaoxu Huang מאוניברסיטת צ'ונגצ'ינג, פרופ' ג'ספר אנרי האטל מאוניברסיטת המדע והטכנולוגיה של דנמרק, ופרופ' מארק איסטון מאוניברסיטת RMIT, עבדו יחד כדי לייצר חלקי נחושת בעלי צפיפות גבוהה. פרופ' מארק איסטון, אוניברסיטת RMIT וצוותים אחרים שיתפו פעולה כדי להציע אסטרטגיית עיצוב להדפסת תלת מימד של נחושת בעלת חוזק גבוה ומוליכות גבוהה. המפתח לאסטרטגיית התכנון הוא לבחור חלקיק תוסף המעורב בצורה הומוגנית עם אבקת הנחושת הטהורה כדי להבטיח שהוא משפר את ספיגת הלייזר של הנחושת הטהורה כאשר הלייזר יוצר אינטראקציה עם האבקה. בנוסף, חלקיקי התוסף מתפזרים במטריצת הנחושת על ידי התמוססות לתוך בריכת ההיתוך כאשר האבקה מומסת ומשקעים מחדש במהלך ההתמצקות, ובכך מחזקים את הנחושת מבלי להפחית משמעותית את המוליכות התרמית/חשמלית שלה. קריטריוני ההקרנה עבור חלקיקי התוספים הם כדלקמן: (1) המסיסות המוצקה של המרכיבים המרכיבים של החלקיקים בנחושת צריכה להיות מינימלית כדי למזער את השפעתם השלילית על מוליכות תרמית/חשמלית וכדי למקסם את הפוטנציאל למשקעים חוזרים של הננו-חלקיקים התמצקות; (2) לחלקיקים צריכה להיות נקודת התכה נמוכה כדי להקל על ההיתוך שלהם לתוך הבריכה המותכת ולהחליש את הפוטנציאל להתגסות של חלקיקי הננו המשקעים במהלך התמצקות; (3) לחלקיקים צריכה להיות נקודת הרטבה נמוכה בנחושת הנוזלית צריכה להיות זווית הרטבה נמוכה כדי למנוע הצטברות של חלקיקי הננו הנפלטים בנחושת נוזלית. בהתבסס על רעיון עיצוב זה, מצאנו כי lanthanum hexaboride (LaB6) עומד בקריטריונים לעיל. על ידי הוספת כמויות עקבות של ננו-חלקיקי LaB6, נחושת בצפיפות גבוהה וביצועים גבוהים וחלקיה המורכבים מבחינה גיאומטרית מומשו על ידי ייצור תוסף לייזר.
העבודה הקשורה פורסמה בכתב העת הבינלאומי המוביל Nature Communications תחת הכותרת "ייצור של נחושת חוזק גבוה ומוליכות גבוהה עם היתוך לייזר אבקת לייזר". תקשורת. ד"ר ינגנג ליו (כיום פרופסור בבית הספר לאווירונאוטיקה, אוניברסיטת נורת'ווסטרן פוליטכנית) וד"ר ג'ינגקי ג'אנג מאוניברסיטת קווינסלנד הם המחברים הראשונים, בעוד פרופ' מינגשינג ז'אנג מאוניברסיטת קווינסלנד, ד"ר רנמינג ניו מאוניברסיטת סידני, ופרופ' כריסטופר האצ'ינסון מאוניברסיטת מונאש הם המחברים המתכתבים.
תמונה.
ייצור תוסף (AM), או הדפסת תלת מימד, מאפשר ייצור מהיר של חלקי נחושת מורכבים מבחינה גיאומטרית ויש לו מגוון רחב של יישומים בניהול תרמי ומוליכות חשמלית. עם זאת, נחושת טהורה היא רכה, בעוד שהרפלקטיביות הגבוהה שלה ללייזרי אינפרא אדום גורמת בדרך כלל לחלקים מודפסים בתלת מימד עם נקבוביות גבוהה, מה שמפחית את הביצועים שלהם. למרות שייצור תוסף באמצעות לייזרים ירוקים או קרני אלקטרונים יכול להדפיס חלקי נחושת טהורים בעלי צפיפות גבוהה, החוזק הנמוך המובנה של נחושת טהורה בטמפרטורת החדר וחוסר יכולתו להתנגד לריכוך תרמי מגבילים את היישום של חלקי נחושת המיוצרים באופן תוסף נתונים לעומסים מכניים גבוהים וגבוהים. טמפרטורות. הוספת אלמנטים כגון Cr, Co, Fe ו-Zr לנחושת טהורה על ידי סגסוגתו יכולה להגביר את ספיגת הלייזר ולחזק את המצע, אך שיטה זו מפחיתה משמעותית את המוליכות התרמית/חשמלית של נחושת בשל מסיסותם המוצקים הגבוהה בנחושת. גישה נוספת היא הוספת חלקיקים חיצוניים (Al2O3, TiB2 וכו') שאינם ניתנים לערבב עם נחושת טהורה כדי לחזק את הנחושת תוך שמירה על מוליכות תרמית/חשמלית גבוהה. עם זאת, בפועל, עקב צבירה של ננו-חלקיקים, מתגלה כקשה ביותר להשיג חיזוק משמעותי מבלי לפגוע בגמישות ובסבילות הנזק. כתוצאה מכך, סגסוגת או הוספת חלקיקים חיצוניים לא תואמים יכולה להגביר את החוזק ולשפר את תכונות ספיגת הלייזר, אך בדרך כלל מביאה לירידה משמעותית במוליכות התרמית/חשמלית ובמשיכות. הדפסת תלת מימד של חלקי נחושת בעלי חוזק גבוה ובעלי מוליכות גבוהה נותרה אתגר דחוף. .
כאן, אנו מדגימים שיטת ייצור תוסף לייזר להכנת חלקי נחושת בצפיפות גבוהה ובעלי ביצועים גבוהים על ידי הוספת כמות קטנה של ננו-חלקיקים לנטנום הקסבוריד (LaB6) לאבקת נחושת טהורה על ידי היתוך לייזר אבקת לייזר (L-PBF). המפתח לשיטה זו הוא החדרת חלקיקים מתאימים לנחושת הטהורה המשפרים את ספיגת הלייזר של הנחושת הטהורה, ולאחר מכן פירוק בבריכת ההיתוך ומשקעים חוזרים במהלך ההתמצקות. LaB6 נבחר על סמך ספיגת הלייזר הגבוהה שלו, מוליכות חשמלית טובה, נקודת התכה נמוכה וזווית הרטבה נמוכה עם נחושת נוזלית. ל-LaB6 יש תפקיד כפול. ראשית, הוא משפר את ספיגת הלייזר של נחושת טהורה, ובכך מעדיף איחוי טוב יותר של האבקה. שנית, יכולתו להתמוסס במהלך היתוך אבקה ולאחר מכן לזרז מחדש כננו-חלקיקים מפוזרים במהלך התמצקות לא רק משפרת את חוזק החומר, אלא גם שומרת על משיכות רבה יותר ומוליכות תרמית/חשמלית גבוהה.1wt% LaB6-תצוגות נחושת מסוימות חוזק תפוקה של 346.8 MPa, גבוה פי 3.7 מזה של נחושת טהורה, כמו גם משיכות שבר של 22.8%, 98.4%, ומוליכות תרמית/חשמלית גבוהה של 1.4%1wt% LaB6-נחושת מסוממת הוא גם מועמד טוב ל-IACS (International Annealed Pure Copper Scheme). מוליכות חשמלית של IACS (International Annealed Copper Standard), מוליכות תרמית של 387 W/mK ועמידות מצוינת לריכוך ב-1050 מעלות, שהיא קרובה לנקודת ההתכה של נחושת טהורה. בנוסף, ישימות השיטה על חלקים מורכבים מבחינה גיאומטרית מודגמת גם במחקר זה. הנחושת המסוממת LaB6-שפותחה לאחרונה ממלאת פער חשוב בהדפסת תלת-ממד של סגסוגות והיא מתאימה לעומסים מכניים גבוהים ולסביבות טמפרטורות גבוהות. מכיוון שבדרך כלל משתמשים בננו-חלקיקים מפוזרים באופן אחיד לחיזוק חומרים מתכתיים, ניתן להרחיב את אסטרטגיית העיצוב הזו של משקעים חוזרים בהתכה והתמצקות למערכות סגסוגת אחרות לפיתוח חומרים בעלי ביצועים גבוהים המוכנים להדפסה.
איור 1 תוצאות בדיקת מיקרו-מבנה והשתקפות לייזר של נחושת טהורה ומסוימת LaB6- שהוכנה על ידי התכה של מיטת לייזר
איור 2 ניתוח ננו-חלקיקים של נחושת מסוממת LaB6- שהוכנה על ידי התכה של מיטת לייזר
איור 3 איור 3 אפיון אלמנטרי APT של נחושת מסוממת LaB6 שהוכן על ידי התכה של מיטת לייזר
איור 4 מאפיינים מכניים ותוצאות בדיקת מוליכות חשמלית של נחושת מסוממת LaB6- שהוכנה על ידי התכה של מיטת אבקת לייזר.
איור 5 תוצאות בדיקת דחיסה של נקודות נחושת מסוממות LaB6 שהוכנו על ידי המסת מיטת לייזר
