一種激光增材制造高強、高導銅設計策略

來源：材料科學與工程

在熱管理和導電應用中，具備制造完全致密、高導熱/導電性和優(yōu)異力學性能的銅（Cu）零部件的能力至關重要。增材制造（AM），即3D打印，為生產(chǎn)具有復雜幾何形狀的銅零部件提供了前所未有的機會。然而，純銅對紅外激光具有很高的反射率，因此采用通常使用的激光增材制造設備打印的純銅零部件往往具有很高的孔隙率，從而降低了它們的機械和導熱/導電性能。盡管通過配備短波長綠色激光或電子束的增材制造設備能夠制造高致密度的純銅零部件，但純銅的固有低強度以及無法抵抗熱軟化的特性阻礙了激光增材制造銅零部件在高機械負載和高溫條件下應用。

▲論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-024-45732-y

為解決上述問題，澳大利亞昆士蘭大學張明星教授團隊與莫納什大學Christopher Hutchinson教授、悉尼大學Julie Cairney教授、西北工業(yè)大學李淼泉教授、重慶大學黃曉旭教授、丹麥科技大學Jesper Henri Hattel教授、墨爾本皇家理工大學Mark Easton教授等團隊合作，提出了一種3D打印高強高導銅的設計策略。設計策略的關鍵是選擇一種添加劑顆粒與純銅粉末均勻混合，確保其在激光與粉末作用時提升純銅的激光吸收率。此外，添加劑顆粒在粉末熔化時熔解到熔池中并在凝固時重新沉淀，彌散分布在銅基體中，從而強化銅而不明顯降低其導熱/導電性。添加劑顆粒的篩選判據(jù)如下：（1）顆粒組成元素在銅中的固溶度應極小，以減小其對導熱/導電性的不利影響，并在最大程度上促使納米顆粒在凝固時重新沉淀；（2）顆粒應具有較低的熔點，以便于其在熔池中熔解，并在凝固過程中弱化再沉淀納米顆粒粗化的可能性；（3）顆粒在液態(tài)銅中應具有較低的潤濕角，以防止再沉淀納米顆粒在液態(tài)銅中的團聚。根據(jù)這一設計思路，研究團隊發(fā)現(xiàn)六硼化鑭（LaB6）符合上述判據(jù)。通過添加微量LaB6納米顆粒，實現(xiàn)了高致密度與高性能銅及其幾何復雜零件的激光增材制造。

相關工作以“Manufacturing of high strength and high conductivity copper with laser powder bed fusion”為題，發(fā)表在國際頂級期刊《Nature Communications》上。

研究背景
增材制造（AM），即3D打印，能夠快速制造幾何復雜的銅零部件，在熱管理和導電領域具有廣泛的應用前景。然而，純銅很軟，同時其對紅外激光的高反射率通常導致3D打印零部件具有高孔隙率，從而降低了其性能。盡管使用綠色激光或電子束進行增材制造可以打印高致密度的純銅零部件，但純銅在室溫下固有的低強度以及其無法抵抗熱軟化的特性，限制了增材制造銅零部件在承受高機械負載和高溫條件下的應用。通過純銅合金化，向純銅中添加Cr、Co、Fe和Zr等元素可以提高激光吸收率并強化基體，但由于它們在銅中的高固溶度，該方法會顯著降低銅的導熱/導電性。另一種方法是添加與純銅不相溶的外部顆粒（Al2O3、TiB2等）以強化銅，同時保持高導熱/導電性。但是，在實際操作過程中，由于納米顆粒團聚，要在不損害延展性和損傷容限的情況下獲得顯著的強化效果，被證明是極其困難的。因此，合金化或添加不相容的外部顆粒可以提高強度和改善激光吸收特性，但通常會導致導熱/導電性和延展性的顯著降低。3D打印高強高導銅零部件仍然是一個亟待解決的難題。

關鍵方法
在這里，研究團隊通過在激光粉末床熔融（L-PBF）的純銅粉末中添加少量六硼化鑭（LaB6）納米顆粒，展示了一種制備高致密度高性能銅零部件的激光增材制造方法。該方法的關鍵在于向純銅中引入恰當?shù)念w粒，這些顆粒可以提升純銅的激光吸收率，隨后在熔池中溶解及在凝固過程中重新沉淀。選擇LaB6是基于其高激光吸收率、較好的導電性、較低的熔點以及與液態(tài)銅較低的潤濕角。

圖1 激光粉末床熔融制備純銅及LaB6摻雜銅的顯微組織與激光反射率測試結(jié)果   

LaB6具有雙重作用。首先，它提高了純銅的激光吸收率，從而有利于粉末更好地熔合。其次，它能夠在粉末熔化過程中熔解，隨后在凝固過程中重新沉淀為彌散分布的納米顆粒，這不僅增強了材料的強度，還保持了較大的延展性和高導熱/導電性。1wt% LaB6摻雜銅表現(xiàn)出了346.8 MPa屈服強度，比純銅高3.7倍，同時具有22.8%的斷裂延展率、98.4% IACS（國際退火純銅標準）的電導率、387 W/m·K的熱導率以及能夠在接近純銅熔點的1050℃下表現(xiàn)出優(yōu)異的抵抗軟化能力。此外，在本研究中也展示了該方法對幾何復雜零件的適用性。

圖2 激光粉末床熔融制備LaB6摻雜銅的納米顆粒分析

新開發(fā)的LaB6摻雜銅填補了合金3D打印中的一個重要空白，并適用于高機械負載和高溫環(huán)境。由于均勻彌散分布的納米顆粒通常被用來強化金屬材料，因此這種熔解和凝固時重新沉淀的設計策略可以擴展到其他合金體系，用于開發(fā)即3D打印即使用的高性能材料。

圖3 激光粉末床熔融制備LaB6摻雜銅的APT元素表征

圖4 激光粉末床熔融制備LaB6摻雜銅的力學性能與導電性測試結(jié)果   

圖5 激光粉末床熔融制備LaB6摻雜銅點陣壓縮性能測試結(jié)果

研究團隊
共同第一作者：昆士蘭大學劉印剛博士（現(xiàn)西北工業(yè)大學航空學院教授）和張敬奇博士
共同通訊作者：昆士蘭大學張明星教授、悉尼大學鈕然銘博士和莫納什大學Christopher Hutchinson教授