Em aplicações de gerenciamento térmico e condutividade elétrica, é fundamental ter a capacidade de fabricar peças de cobre (Cu) que sejam totalmente densas, altamente condutoras térmicas/condutivas e que tenham excelentes propriedades mecânicas. A manufatura aditiva (AM), ou impressão 3D, oferece uma oportunidade sem precedentes para produzir peças de Cu com geometrias complexas. No entanto, o Cu puro é altamente refletivo dos lasers infravermelhos, portanto, as peças de Cu puro impressas com equipamentos de fabricação aditiva a laser comumente usados tendem a ter alta porosidade, o que reduz sua condutividade mecânica e térmica/elétrica. Embora altas densidades de peças de cobre puro possam ser produzidas por equipamentos de fabricação aditiva equipados com lasers verdes de comprimento de onda curto ou feixes de elétrons, a baixa resistência inerente do cobre puro e sua incapacidade de resistir ao amolecimento térmico impediram a aplicação de peças de cobre fabricadas aditivamente a laser em altas cargas mecânicas e altas temperaturas.
Para resolver os problemas acima, a equipe do Prof. Xingxing Zhang da Universidade de Queensland, Austrália, em colaboração com o Prof. da Universidade Politécnica do Noroeste, o Prof. Xiaoxu Huang da Universidade de Chongqing, o Prof. Jesper Henri Hattel da Universidade de Ciência e Tecnologia da Dinamarca e o Prof. Mark Easton da Universidade RMIT têm trabalhado juntos para produzir peças de cobre com altas densidades. O professor Mark Easton, da RMIT University e outras equipes colaboraram para propor uma estratégia de design para impressão 3D de cobre de alta resistência e alta condutividade. A chave para a estratégia de projeto é selecionar uma partícula aditiva que seja misturada homogeneamente com o pó de cobre puro para garantir que aumente a absorção do laser do cobre puro quando o laser interage com o pó. Além disso, as partículas de aditivo são dispersas na matriz de cobre dissolvendo-se na poça de fusão quando o pó é derretido e reprecipitando durante a solidificação, fortalecendo assim o cobre sem reduzir significativamente a sua condutividade térmica/elétrica. Os critérios de triagem para as partículas aditivas são os seguintes: (1) a solubilidade sólida dos elementos constituintes das partículas em cobre deve ser mínima para minimizar o seu efeito adverso na condutividade térmica/elétrica e para maximizar o potencial de reprecipitação das nanopartículas após solidificação; (2) as partículas devem ter um ponto de fusão baixo para facilitar a sua fusão na poça fundida e para enfraquecer o potencial de engrossamento das nanopartículas reprecipitadas durante a solidificação; (3) as partículas devem ter um ponto de molhamento baixo no cobre líquido, devem ter um ângulo de molhamento baixo para evitar a aglomeração das nanopartículas reprecipitadas no cobre líquido. Com base nesta ideia de design, descobrimos que o hexaboreto de lantânio (LaB6) atende aos critérios acima. Ao adicionar vestígios de nanopartículas LaB6, cobre de alta densidade e alto desempenho e suas peças geometricamente complexas foram realizadas pela fabricação aditiva a laser.
O trabalho relacionado foi publicado na importante revista internacional Nature Communications sob o título de "Fabricação de cobre de alta resistência e alta condutividade com fusão em leito de pó a laser". Comunicações. Yinggang Liu (agora professor da Escola de Aeronáutica da Northwestern Polytechnical University) e o Dr. Jingqi Zhang da Universidade de Queensland são os co-autores, enquanto o Prof. da Universidade de Sydney, e o Prof. Christopher Hutchinson da Monash University são os co-autores correspondentes.
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A manufatura aditiva (AM), ou impressão 3D, permite a fabricação rápida de peças de cobre geometricamente complexas e tem uma ampla gama de aplicações em gerenciamento térmico e condutividade elétrica. No entanto, o cobre puro é macio, enquanto a sua alta refletividade aos lasers infravermelhos normalmente resulta em peças impressas em 3D com alta porosidade, o que reduz o seu desempenho. Embora a fabricação aditiva usando lasers verdes ou feixes de elétrons possa imprimir peças de cobre puro com altas densidades, a baixa resistência inerente do cobre puro à temperatura ambiente e sua incapacidade de resistir ao amolecimento térmico limitam a aplicação de peças de cobre fabricadas aditivamente sujeitas a altas cargas mecânicas e altas temperaturas. Adicionar elementos como Cr, Co, Fe e Zr ao cobre puro por meio de liga pode aumentar a absorção do laser e fortalecer o substrato, mas este método reduz significativamente a condutividade térmica/elétrica do cobre devido à sua alta solubilidade sólida em cobre. Outra abordagem é adicionar partículas externas (Al2O3, TiB2, etc.) que são imiscíveis com cobre puro para fortalecer o cobre enquanto mantém alta condutividade térmica/elétrica. Porém, na prática, devido à aglomeração de nanopartículas, revela-se extremamente difícil obter um reforço significativo sem comprometer a ductilidade e a tolerância a danos. Como resultado, a liga ou adição de partículas externas incompatíveis pode aumentar a resistência e melhorar as propriedades de absorção do laser, mas geralmente resulta em uma diminuição significativa na condutividade térmica/elétrica e na ductilidade. A impressão 3D de peças de cobre de alta resistência e alta condutividade continua sendo um desafio urgente .
Aqui, demonstramos um método de fabricação aditiva a laser para preparar peças de cobre de alta densidade e alto desempenho, adicionando uma pequena quantidade de nanopartículas de hexaboreto de lantânio (LaB6) ao pó de cobre puro por fusão em leito de pó a laser (L-PBF). A chave para este método é a introdução de partículas apropriadas no cobre puro que melhoram a absorção do laser do cobre puro, seguida pela dissolução na poça de fusão e reprecipitação durante a solidificação. O LaB6 foi escolhido com base em sua alta absorção de laser, boa condutividade elétrica, baixo ponto de fusão e baixo ângulo de molhamento com cobre líquido. O LaB6 tem uma função dupla. Primeiro, melhora a absorção do laser de cobre puro, favorecendo assim uma melhor fusão do pó. Em segundo lugar, sua capacidade de derreter durante a fusão do pó e subsequentemente reprecipitar como nanopartículas distribuídas difusamente durante a solidificação não apenas aumenta a resistência do material, mas também mantém maior ductilidade e alta condutividade térmica/elétrica. um limite de escoamento de 346,8 MPa, 3,7 vezes maior que o do cobre puro, bem como uma ductilidade à fratura de 22,8%, 98,4% e uma alta condutividade térmica/elétrica de 1,4%.1% em peso LaB6-cobre dopado também é um bom candidato para o IACS (International Annealed Pure Copper Scheme). Condutividade elétrica IACS (International Annealed Copper Standard), condutividade térmica de 387 W/mK e excelente resistência ao amolecimento a 1050 graus, que está próximo do ponto de fusão do cobre puro. Além disso, a aplicabilidade do método a peças geometricamente complexas também é demonstrada neste estudo. O recém-desenvolvido cobre dopado LaB6-preenche uma lacuna importante na impressão 3D de ligas e é adequado para altas cargas mecânicas e ambientes de alta temperatura. Como nanopartículas uniformemente dispersas são comumente usadas para fortalecer materiais metálicos, esta estratégia de projeto de reprecipitação após fusão e solidificação pode ser estendida a outros sistemas de liga para o desenvolvimento de materiais de alto desempenho prontos para impressão.
Figura 1 Resultados de testes de microestrutura e refletividade a laser de cobre puro e dopado com LaB6- preparado por fusão em leito de pó a laser
Figura 2 Análise de nanopartículas de cobre dopado com LaB6-preparado por fusão em leito de pó a laser
Figura 3 Caracterização elementar APT de cobre dopado com LaB6 preparado por fusão em leito de pó a laser
Figura 4 Propriedades mecânicas e resultados de testes de condutividade elétrica do cobre dopado com LaB6- preparado por fusão em leito de pó a laser.
Figura 5 Resultados do teste de compressão de pontos de cobre dopados com LaB6 preparados por fusão em leito de pó a laser
