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【创新】黑科技:激光选择性熔化(SLM)铜合金取得重要进展

作者:a 来源: 日期:2018-11-01 10:51:40 人气:130 评论:0 标签:

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初识高导电率铜


高导电率铜合金在军工、航空航天、舰船制造、高铁、地铁、电动汽车、通讯设备等领域广泛应用,但我国每年需要的高导电铜合金50%依靠进口。该材料在航空航天、舰船等应用,由于导电性能更优秀,所需材料少,可减轻航空器和舰船等本体重量,节材降耗,还能再多装载其他设备等;用于互联网、通讯设备等,信息传递速度更快;应用于电动汽车电池,比现在的电池一次充电能多跑10—20公里等;用于海底电缆,由于安全和耐腐耐用,使用年限更长,节省了电缆更换的巨额费用等。



高导电铜的应用


铜金属3D打印技术主要被应用在航空、国防领域,美国Aerojet Rocketdyne研发的RL10液氢燃料火箭发动机中就使用了3D打印的铜合金推力室部件。美国航天局NASA 在铜质发动机燃烧室内衬3D打印方面也取得了突破,打印材料为GRCo-84铜合金。


铜以其延展性而闻名,是金属3D打印机看似理想的打印材料。此外,金属表现出仅次于银的导热率水平,并且高导电性使其适用于工业应用。


但铜合金的激光3D打印却不是一件容易的事情,我们所周知的原因如下:


1


铜合金和金银一样,导热性能良好、比热容小、浸湿性能差、表面有坚硬的氧化膜,对光斑的反射率较大,这就使得激光产生的热量在其表面不易停留,直接熔覆功能涂层难以实现;做激光的太容易理解这一点了,铜合金反射镜就是在激光中的典型应用。


2


铜合金基体与涂层的材料体系之间的性能差别很大,使用过程中的界面失效问题要得到一定的重视,在中间要有相应的过渡层连接;铜合金、金银的延展性好,大家也是太熟悉不过了,


3


涂层内韧性不足,热裂和应力等缺陷存在于涂层内部。


解密铜的性质


由于铜的导热性和反射性极佳,这使得铜金属在3D打印机内部难以操作。 但是铜金属在激光熔化的过程中,吸收率低,激光难以持续熔化铜金属粉末,从而导致成形效率低,冶金质量难以控制等问题。此外,铜的高延展性给去除多余粉末这样的后处理工作增加了难度。


“根据表面性质,”弗劳恩霍夫激光技术研究所(Fraunhofer ILT)快速制造小组研究员Daniel Heussen解释说,“纯铜会反射高达90%的激光辐射。”


“根据表面性质的不同,”Fraunhofer ILT快速制造集团研究员Daniel Heussen解释说,“纯铜在常规使用的1μm激光波长中反射高达90%的激光辐射能量。”


绿色SLM


为了解决铜对激光的高反射问题,Heussen和他的同事们正在推出“SLM绿色”项目,旨在改变3D打印机在铜粉末床上加工所遇到的挑战。


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ILT Heussen和同事们正在开展“绿色SLM”项目,寻求改变3D打印机从铜粉末床上制造物体的方式。


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形状记忆合金的实际应用


(a) Hydraulic tube-couplings,

(b) Electric circuit breaker, 

(c) thermal actuator, 

(d) Simon filter, 

(e) eye glass frame, 

(f) spacer and 

(g) robotic arm (印度AshishAgrawal等人)


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中国矿业大学的Yue Zhang等人进行了Cu50Zr50的SLM研究, 如下图显示了在扫描时温度的分布变化。


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SLM加工过程中温度的分布变化,其中红色的区域和箭头是激光所在的区域

(中国矿业大学的Yue Zhang等人)



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The total pair distribution function curves for Cu-Zr alloy in the cladding and two deposited layers after SLM; (b–d) the fractions of the 9 most populous Voronoi polyhedron types for Cu-Zr alloy, Cuand Zr-centered in the three layers after SLM, respectively.


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进行Cu50Zr50  合金SLM研究时结构的演变:  (a) 俯视图和截面图; (b) 详细的区域放大图 (中国矿业大学的Yue Zhang等人)


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Italy的M.Colopi等人在纯铜上的研究结果(参数研究时的结果)



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Italy的M.Colopi等人在纯铜上的进行堆积的试样


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Italy的M.Colopi等人在纯铜上的进行堆积比较精细的试样:左图为精细试样实物图,右图为堆积的试样在金相下的显微图


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SLM制造Cu-Al-Ni-Mn 形状记忆合金时(IFW,T.Gustmann等人)


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采用上图的扫描路径SLM制造Cu-Al-Ni-Mn 形状记忆合金时,采用CT扫描(俯视图)所得到的图形(IFW,T.Gustmann等人)

——

另外据报道,日本6大工业机器人开发商之一的Daihen公司和日本国家技术研究所(大阪府)最近似乎已经联合找到了解决之道 — 通过使用铜合金粉末和传统的M2金属3D打印机,他们开发出了一种叫做3D层压成型的新方法。而据江苏激光联盟秘书处了解,这种方法的主要优点就是既能实现铜的3D成型,又能很大程度上保证其不会失去原有属性(主要是导电性和导热性)。事实上根据研究者的说法,如果重点关注导电性,这种方法最高可实现打印件90%的纯铜率,并且还能将铜的抗拉伸性能“植入”到打印件当中!不过除此之外,这种技术也有其它优点,比如在制造单独部件上能显著缩短时间,从而提高效率,降低成本 。基于上述优点,这种新技术有望在航空航天,汽车和医疗等许多领域得到广泛应用。而事实上,其开发团队已经利用它取得了一些成果,比如3D打印出了以往很难通过3D打印制造出的叠层激光器,以及成功改造了大电流水冷柜,令其冷却性能明显提高,尺寸和重量却明显下降。


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SLM激光通常在光的红外光谱范围内运行,而这造成了铜的低吸收率,光的能量也不能有效地熔化金属。使用绿色激光,需要的激光功率输出更少。此外,激光束可以更精确地聚焦,从而制造出更精细的部件。   


Heussen补充说:“我们希望有一个更均匀的熔池动力学,这样我们就可以制造高材料密度的组件,以及获得其他积极效果,如更高的细节分辨率。”这个项目预计将在2019年年中完成,获得了德国联邦工业研究协会(AiF)的资助。


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