Dans les applications de gestion thermique et de conductivité électrique, il est essentiel d'avoir la capacité de fabriquer des pièces en cuivre (Cu) entièrement denses, hautement conductrices thermiquement et conductrices et possédant d'excellentes propriétés mécaniques. La fabrication additive (FA), ou impression 3D, offre une opportunité sans précédent de produire des pièces en Cu aux géométries complexes. Cependant, le Cu pur réfléchit fortement les lasers infrarouges, de sorte que les pièces en Cu pur imprimées avec des équipements de fabrication additive laser couramment utilisés ont tendance à avoir une porosité élevée, ce qui réduit leur conductivité mécanique et thermique/électrique. Bien que des densités élevées de pièces en cuivre pur puissent être produites par des équipements de fabrication additive équipés de lasers verts à courte longueur d'onde ou de faisceaux d'électrons, la faible résistance inhérente du cuivre pur et son incapacité à résister au ramollissement thermique ont empêché l'application de pièces en cuivre fabriquées de manière additive au laser à charges mécaniques élevées et températures élevées.
Afin de résoudre les problèmes ci-dessus, l'équipe du professeur Xingxing Zhang de l'université du Queensland, en Australie, en collaboration avec le professeur Christopher Hutchinson de l'université Monash, le professeur Julie Cairney de l'université de Sydney, le professeur Miao-Quan Li de l'Université polytechnique du Nord-Ouest, le professeur Xiaoxu Huang de l'université de Chongqing, le professeur Jesper Henri Hattel de l'université des sciences et technologies du Danemark et le professeur Mark Easton de l'université RMIT ont travaillé ensemble pour produire des pièces en cuivre à haute densité. Le professeur Mark Easton, de l'Université RMIT, et d'autres équipes ont collaboré pour proposer une stratégie de conception pour l'impression 3D de cuivre à haute résistance et haute conductivité. La clé de la stratégie de conception consiste à sélectionner une particule additive mélangée de manière homogène à la poudre de cuivre pur afin de garantir qu’elle améliore l’absorption laser du cuivre pur lorsque le laser interagit avec la poudre. De plus, les particules d'additif sont dispersées dans la matrice de cuivre en se dissolvant dans le bain de fusion lorsque la poudre est fondue et en reprécipitant pendant la solidification, renforçant ainsi le cuivre sans réduire significativement sa conductivité thermique/électrique. Les critères de sélection pour les particules d'additifs sont les suivants : (1) la solubilité solide des éléments constitutifs des particules dans le cuivre doit être minimale afin de minimiser leur effet négatif sur la conductivité thermique/électrique et de maximiser le potentiel de reprécipitation des nanoparticules lors de la fusion. solidification; (2) les particules doivent avoir un point de fusion bas pour faciliter leur fusion dans le bain fondu et pour affaiblir le potentiel de grossissement des nanoparticules reprécipitées lors de la solidification ; (3) les particules doivent avoir un faible point de mouillage dans le cuivre liquide et doivent avoir un faible angle de mouillage pour empêcher l'agglomération des nanoparticules reprécipitées dans le cuivre liquide. Sur la base de cette idée de conception, nous avons constaté que l'hexaborure de lanthane (LaB6) répond aux critères ci-dessus. En ajoutant des traces de nanoparticules LaB6, du cuivre haute densité et haute performance et ses pièces géométriquement complexes ont été réalisés par fabrication additive laser.
Les travaux connexes ont été publiés dans la revue internationale Nature Communications sous le titre « Fabrication de cuivre à haute résistance et haute conductivité avec fusion sur lit de poudre laser ». Communications. Le Dr Yinggang Liu (maintenant professeur à l'École d'aéronautique de la Northwestern Polytechnical University) et le Dr Jingqi Zhang de l'Université du Queensland sont les co-premiers auteurs, tandis que le professeur Mingxing Zhang de l'Université du Queensland, le Dr Ranming Niu de l'Université de Sydney et le professeur Christopher Hutchinson de l'Université Monash sont les auteurs co-correspondants.
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La fabrication additive (FA), ou impression 3D, permet la fabrication rapide de pièces en cuivre géométriquement complexes et présente une large gamme d'applications en matière de gestion thermique et de conductivité électrique. Cependant, le cuivre pur est mou, tandis que sa haute réflectivité aux lasers infrarouges donne généralement lieu à des pièces imprimées en 3D présentant une porosité élevée, ce qui réduit leurs performances. Bien que la fabrication additive utilisant des lasers verts ou des faisceaux d'électrons puisse imprimer des pièces en cuivre pur avec des densités élevées, la faible résistance inhérente du cuivre pur à température ambiante et son incapacité à résister au ramollissement thermique limitent l'application de pièces en cuivre fabriquées de manière additive soumises à des charges mécaniques élevées et à des températures élevées. températures. L'ajout d'éléments tels que Cr, Co, Fe et Zr au cuivre pur en l'alliant peut augmenter l'absorption laser et renforcer le substrat, mais cette méthode réduit considérablement la conductivité thermique/électrique du cuivre en raison de sa haute solubilité solide dans le cuivre. Une autre approche consiste à ajouter des particules externes (Al2O3, TiB2, etc.) non miscibles avec le cuivre pur pour renforcer le cuivre tout en maintenant une conductivité thermique/électrique élevée. Cependant, en pratique, en raison de l’agglomération des nanoparticules, il s’avère extrêmement difficile d’obtenir un renforcement significatif sans compromettre la ductilité et la tolérance aux dommages. En conséquence, l'alliage ou l'ajout de particules externes incompatibles peuvent augmenter la résistance et améliorer les propriétés d'absorption du laser, mais entraînent généralement une diminution significative de la conductivité thermique/électrique et de la ductilité. L'impression 3D de pièces en cuivre à haute résistance et haute conductivité reste un défi urgent. .
Ici, nous démontrons une méthode de fabrication additive laser pour préparer des pièces en cuivre haute densité et hautes performances en ajoutant une petite quantité de nanoparticules d'hexaborure de lanthane (LaB6) à de la poudre de cuivre pure par fusion sur lit de poudre laser (L-PBF). La clé de cette méthode est l’introduction de particules appropriées dans le cuivre pur qui améliorent l’absorption laser du cuivre pur, suivie d’une dissolution dans le bain de fusion et d’une reprécipitation pendant la solidification. LaB6 a été choisi en raison de sa forte absorption laser, de sa bonne conductivité électrique, de son faible point de fusion et de son faible angle de mouillage avec le cuivre liquide. LaB6 a un double rôle. Premièrement, il améliore l’absorption laser du cuivre pur, favorisant ainsi une meilleure fusion de la poudre. Deuxièmement, sa capacité à fondre pendant la fusion de la poudre et à reprécipiter ensuite sous forme de nanoparticules distribuées de manière diffuse pendant la solidification améliore non seulement la résistance du matériau, mais maintient également une plus grande ductilité et une conductivité thermique/électrique élevée. 1 % en poids de cuivre dopé au LaB6- présente une limite d'élasticité de 346,8 MPa, 3,7 fois supérieure à celle du cuivre pur, ainsi qu'une ductilité de rupture de 22,8 %, 98,4 % et une conductivité thermique/électrique élevée de 1,4 %. 1 % en poids de cuivre dopé LaB6- est également un bon candidat pour l’IACS (International Annealed Pure Copper Scheme). Conductivité électrique IACS (International Annealed Copper Standard), une conductivité thermique de 387 W/mK et une excellente résistance au ramollissement à 1050 degrés, ce qui est proche du point de fusion du cuivre pur. De plus, l’applicabilité de la méthode aux pièces géométriquement complexes est également démontrée dans cette étude. Le cuivre dopé LaB6- nouvellement développé comble une lacune importante dans l'impression 3D d'alliages et convient aux charges mécaniques élevées et aux environnements à haute température. Étant donné que les nanoparticules uniformément dispersées sont couramment utilisées pour renforcer les matériaux métalliques, cette stratégie de conception de reprécipitation lors de la fusion et de la solidification peut être étendue à d'autres systèmes d'alliages pour le développement de matériaux hautes performances prêts à l'impression.
Figure 1 : Résultats des tests de microstructure et de réflectivité laser du cuivre pur et dopé au LaB6- préparé par fusion sur lit de poudre laser
Figure 2 Analyse de nanoparticules de cuivre dopé au LaB6- préparé par fusion sur lit de poudre laser
Figure 3 Caractérisation élémentaire APT du cuivre dopé au LaB6 préparé par fusion sur lit de poudre laser
Figure 4 Propriétés mécaniques et résultats des tests de conductivité électrique du cuivre dopé au LaB6- préparé par fusion sur lit de poudre laser.
Figure 5 Résultats des tests de compression de points de cuivre dopés au LaB6 préparés par fusion sur lit de poudre laser
