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3D新聞

一文看懂粉末床激光銅增材制造的潛力、挑戰(zhàn)及可行性方案

星之球科技 來(lái)源:3DScienceValley2022-02-06 我要評(píng)論(0 )   

高導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性使銅成為生產(chǎn)要求具有高傳熱能力的零部件的最佳材料。比較典型的應(yīng)用如制造管殼式熱交換器,銅材料的效率通過(guò)設(shè)計(jì)得到加強(qiáng),具有高傳熱系數(shù)和高湍流。...

高導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性使銅成為生產(chǎn)要求具有高傳熱能力的零部件的最佳材料。比較典型的應(yīng)用如制造管殼式熱交換器,銅材料的效率通過(guò)設(shè)計(jì)得到加強(qiáng),具有高傳熱系數(shù)和高湍流。然而高性能設(shè)計(jì)通常需要許多制造工藝才能實(shí)現(xiàn),銅熱交換器的理論效率將被降低。



通過(guò)增材制造實(shí)現(xiàn)的一體化制造,可以有效解決這類問(wèn)題。但是銅增材制造仍然極具挑戰(zhàn)性。在本期谷.透視中,3D科學(xué)谷將對(duì)主流金屬增材制造技術(shù)之一,粉末床選區(qū)激光熔化工藝(LPBF)存在的挑戰(zhàn)及可行性方案的探索情況進(jìn)行概述。



LPBF 銅增材制造挑戰(zhàn)及可行性方案探索



3D科學(xué)谷



銅的應(yīng)用價(jià)值



銅 (Cu) 作為一種韌性金屬,具有良好的耐腐蝕性、低化學(xué)反應(yīng)性、非凡的機(jī)械加工性和成型性以及高導(dǎo)電 (60 × 106 S/m,相當(dāng)于100% 國(guó)際退火銅標(biāo)準(zhǔn) (IACS) ) 和熱導(dǎo)率 (400 W/mK)。



由于這些獨(dú)特的特性,純銅在生產(chǎn)用于電子、散熱器、增壓空氣冷卻器和熱交換器等多種應(yīng)用的設(shè)備以及電子封裝、汽車和建筑行業(yè)等各種工業(yè)領(lǐng)域的設(shè)備方面受到了廣泛關(guān)注。此外,銅經(jīng)常用作不同合金材料的基材,例如黃銅和青銅,其中分別將鋅和錫合金化。



材料性能效率通常通過(guò)特定的零部件設(shè)計(jì)來(lái)提高。銅的典型制造工藝,例如粉末冶金 (PM) 和傳統(tǒng)工藝(例如鍛造、機(jī)加工、擠壓和鑄造),可以生產(chǎn)簡(jiǎn)單的幾何形狀。但是難以生產(chǎn)復(fù)雜部件或翅片式熱交換器和散熱器,或者在制造時(shí)需要焊接等其他工藝來(lái)實(shí)現(xiàn)。



相對(duì)而言,增材制造工藝對(duì)于這種情況而言就更具優(yōu)勢(shì)。因?yàn)樵霾闹圃炷軌驅(qū)崿F(xiàn)大量薄翅片或具有特定幾何形狀的復(fù)雜流道,這些幾何形狀增加了交換面積和湍流 。此外,增材制造的整體式熱交換器和散熱器將更好地抵抗液體壓力和泄漏。這些可行性為制造性能緊湊型銅熱交換設(shè)備創(chuàng)造了條件。



《銅金屬3D打印白皮書》 3D科學(xué)谷



不過(guò),即使是在優(yōu)勢(shì)明顯的情況下,純銅和銅金屬的增材制造應(yīng)用仍存在一些挑戰(zhàn),包括以下幾點(diǎn):



  • 由于銅及其合金的高電導(dǎo)率和熱導(dǎo)率增加了從熔池到周圍區(qū)域的熱傳遞率,并產(chǎn)生高熱梯度和不利后果。

  • 對(duì)于激光增材制造來(lái)說(shuō),高激光反射率是另一個(gè)最重要的問(wèn)題。

  • 快速傳熱和高反射率都阻礙了激光功率的吸收,導(dǎo)致高孔隙率和較差的機(jī)械、熱和電性能。此外,銅的延展性會(huì)對(duì)粉末去除和回收后產(chǎn)生負(fù)面影響 ,可能是因?yàn)樵诖穗A段構(gòu)建的銅片很容易變形。

  • 銅對(duì)氧化的高敏感性使粉末處理變得復(fù)雜。



LPBF 銅增材制造



LPBF工藝是加工金屬部件最常用的增材制造技術(shù),因?yàn)樗梢陨a(chǎn)極薄和復(fù)雜的細(xì)節(jié)。然而,適用于 LPBF 工藝的金屬材料必須滿足三個(gè)基本要求:低熱導(dǎo)率, 高激光吸收,以及含有高沸點(diǎn)元素 。這些材料特性確保了穩(wěn)定的熔池,使得材料易于加工。



正是因?yàn)槿绱?,銅金屬成為了一種難以用LPBF加工的材料。銅的高導(dǎo)熱性促進(jìn)了從熔池區(qū)域到周圍的快速熱傳遞,導(dǎo)致局部熱梯度增加。因此,層卷曲和分層是常見的缺陷。然而,銅增材制造可加工性的最大挑戰(zhàn)與它的激光吸收有關(guān)。



銅的激光吸收與 (a) 波長(zhǎng)、(b) 溫度的函數(shù)關(guān)系。



LPBF 3D打印純銅零件的常見缺陷:(a)球化效應(yīng)和(b)由于熔池和凝固層之間的潤(rùn)濕行為不足導(dǎo)致的微球化效應(yīng);(c) 當(dāng)大熔池不能徹底潤(rùn)濕底層時(shí)邊緣升高,這種效果疊加在幾個(gè)打印層上,看起來(lái)像一個(gè)凸起的邊緣;(d) 打印層的分層,通常由熱梯度引起 ;(e) 因暴露于激光背反射 12 小時(shí)而導(dǎo)致光學(xué)振鏡損壞的示例。



那么,怎樣克服LPBF 工藝銅增材制造的挑戰(zhàn)呢?接下來(lái),我們從設(shè)備及工藝方案和材料方案兩個(gè)角度進(jìn)行了解。



設(shè)備及工藝方案



根據(jù)3D科學(xué)谷的市場(chǎng)研究,通過(guò)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)優(yōu)化工藝參數(shù)是常見的方式。LPBF增材制造工藝優(yōu)化中最常用的工藝參數(shù)是激光功率 (P)、掃描速度 (υ)、層厚 (s) 和掃描間距 (h) 。



例如,有的研究團(tuán)隊(duì)采用連續(xù)光纖激光器,波長(zhǎng)為1070 nm,最大功率為400 W,光束直徑為70 μm。采用最佳工藝參數(shù)(掃描速度400 mm/s,掃描間距0.12 mm,層厚0.03 mm),得到的相對(duì)密度可達(dá)95%。銅被打印在不銹鋼基板上,表面粗糙度平均值等于18μm。



3D打印復(fù)雜結(jié)構(gòu)銅散熱器:柱狀、螺旋狀和彎管狀。



上圖顯示了模擬散熱器的結(jié)構(gòu)。3D打印銅散熱器與商用柱狀散熱器和塊狀銅對(duì)應(yīng)物之間的比較表明,3D打印部件的熱導(dǎo)率 (368 W/mK) 和電導(dǎo)率 (5.71 S/m) 和硬度值 (108 MPa) 更高。



在優(yōu)化工藝參數(shù)的方式中,使用更高的激光功率進(jìn)行銅增材制造是常見方式。增加激光功率輸入對(duì)銅密度產(chǎn)生積極影響,從而對(duì)其性能產(chǎn)生積極影響。例如有的研究團(tuán)隊(duì)探索了使用最大功率為 500 W、光束直徑為 37.5 μm 的紅外光纖激光器銅增材制造工藝參數(shù),得到的相對(duì)密度為99.3%。工藝參數(shù)的優(yōu)化包括等于 0.03 毫米的固定層厚度和0.09 毫米的掃描間距。



根據(jù)3D科學(xué)谷的市場(chǎng)研究,另一個(gè)克服粉末床激光銅增材制造挑戰(zhàn)的思路是調(diào)整激光波長(zhǎng)。較大的波長(zhǎng)會(huì)降低激光吸收率,而隨著較短的激光波長(zhǎng)而增加。波長(zhǎng)約為 520 nm 的綠色和藍(lán)色激光將激光吸收率提高到 40%



在主要研究中,銅相對(duì)密度隨激光輸入功率所產(chǎn)生的變化(左);純銅吸收率隨波長(zhǎng)的變化(右)。



出于這個(gè)原因,較短波長(zhǎng)的激光器被認(rèn)為是生產(chǎn)全致密銅元件的可靠解決方案。



根據(jù)3D科學(xué)谷的市場(chǎng)觀察,這一思路已被工業(yè)級(jí)3D打印設(shè)備制造商所采用。例如,德國(guó)通快集團(tuán)在TruPrint 1000 綠光版3D打印設(shè)備中配備了波長(zhǎng)為515納米的綠光激光器,該設(shè)備可采用指定銅含量大于 99.9% 的高導(dǎo)電純銅ETP(EN CW004A)。鉑力特針對(duì)純銅增材制造,提供搭載綠激光配置的金屬增材制造定制設(shè)備。這種短波長(zhǎng)激光的應(yīng)用將提升銅零件成形的成功率及致密度,同時(shí)降低能量損失和對(duì)設(shè)備損壞的可能性。



此外,打印平臺(tái)/基板在保持均勻的粉末床溫度和工藝穩(wěn)定性方面發(fā)揮了關(guān)鍵作用。因此為銅增材制造選擇合適的基板也是其中一種應(yīng)對(duì)挑戰(zhàn)的探索方式。



在 (a) 鋁制平臺(tái)(b) 鋼制基板上生產(chǎn)的 LPBF 3D打印銅樣品。



例如,有研究團(tuán)隊(duì)用相同工藝參數(shù),分別在鋁制基板和鋼制基板上進(jìn)行銅增材制造,他們使用的參數(shù)為:激光功率為 190 W,激光掃描速度為 500 mm/s。結(jié)果表明,由于高導(dǎo)熱性,鋁制基板將熱量從樣品迅速散發(fā)到致密平臺(tái)。因此,平臺(tái)與試件之間的附著力較差,銅樣品底部發(fā)生翹曲和變形。這種不良的附著力也導(dǎo)致了熔池不穩(wěn)定和不均勻。溫度分布并導(dǎo)致形成引起變形的熱應(yīng)力。另一方面,鋼基板促進(jìn)了具有外翹和變形的冶金結(jié)合的形成,從而提高了工藝穩(wěn)定性。



材料方案



提高 LPBF 工藝銅加工性能的另一個(gè)可行性方案的探索方向是改變?cè)牧稀?/p>



原材料改性是其中一種途徑。例如有的研究團(tuán)隊(duì)將0.1 wt% 的碳納米顆粒與銅粉混合。使用碳等元素來(lái)增強(qiáng)激光吸收率,而不會(huì)降低熱性能和電性能,碳還降低了熱膨脹系數(shù),可能有助于提高打印部件的尺寸精度。結(jié)果表明,在 LPBF 過(guò)程中,光吸收率提高(精確地從 29% 到 67%)、流動(dòng)性和原位脫氧,制造的樣品顯示出98%的相對(duì)密度。然而,碳納米顆粒和其他雜質(zhì)沿晶界分離,銅部件的機(jī)械性能和導(dǎo)電性可能會(huì)劣化。建議的解決方案是使用無(wú)磷銅粉和一些碳吸收元素,例如鉻或鈦。



還有一種方式是通過(guò)在顆粒上創(chuàng)造一層錫和鎳涂層,來(lái)提升銅材料的激光吸收率。與成分相似的原位合金粉末相比,3D打印樣品的孔隙率較低。



在銅粉中添加少量合金元素也是其中一種途徑。然而,即使是少量的第二元素也可能大大降低銅的導(dǎo)熱性和導(dǎo)電性。這個(gè)想法是添加一種或多種導(dǎo)熱率較低的元素。在這些元素中,鉻是最常用的元素之一,因?yàn)樗岣吡算~的機(jī)械強(qiáng)度。鉻的存在提高了可加工性,并允許獲得具有提高的拉伸強(qiáng)度的高密度組件。例如,有的研究成功實(shí)現(xiàn)了具有高強(qiáng)度和高導(dǎo)電性的 Cu-Cr LPBF工藝3D 打印組件。當(dāng)使用一組優(yōu)化的參數(shù)(激光功率為 2000 W,掃描速度為 600 mm/s,掃描間距為 0.2 mm,層厚為 0.05 mm)進(jìn)行處理時(shí),樣品的最終密度為 99.98%。成型后對(duì)零件進(jìn)行熱處理,使Cr顆粒從Cu基體中析出,大大提高了UTS(468 MPa)、YS(377 MPa)和電導(dǎo)率,達(dá)到98.31% IACS。



根據(jù)3D科學(xué)谷的市場(chǎng)觀察,通過(guò)材料來(lái)實(shí)現(xiàn)純銅粉末床激光熔化增材制造的技術(shù)已進(jìn)入到商業(yè)化階段。例如,德怡科技(Infinite Flex )近日將其可用于標(biāo)準(zhǔn)紅外激光 LPBF 3D打印設(shè)備的純銅粉末材料 Cu 01 推出市場(chǎng)。



3D打印純銅熱交換器樣件



德怡科技



對(duì)3D打印零件進(jìn)行直接時(shí)效硬化(DAH),也是提升銅LPBF增材制造可行性的方式。這種熱處理的應(yīng)用產(chǎn)生了細(xì)小的 Cr 析出物,增加了硬度和 UTS(從 287 到 466 MPa),而延展性略有下降。有的研究團(tuán)隊(duì),增材制造了密度接近 97.9% 的 Cu-Cr-Zr-Ti 銅合金樣件,并對(duì)樣件進(jìn)行固溶退火和時(shí)效處理,導(dǎo)致了細(xì)長(zhǎng)晶粒擴(kuò)大。這些熱處理通常用于提高強(qiáng)度。固溶退火用于使合金元素固溶在銅基體中,而隨后的時(shí)效處理旨在形成進(jìn)一步強(qiáng)化的析出物。



銅金屬3D打印增材制造工藝呈現(xiàn)出多樣化發(fā)展。除了本期介紹的LPBF 工藝之外,粉末床電子束熔化、粘結(jié)劑噴射、材料擠出等幾種增材制造工藝也在銅金屬增材制造領(lǐng)域得到了發(fā)展。3D科學(xué)谷將在后續(xù)發(fā)布的谷.前沿文章中,透視這些技術(shù)在銅增材制造中的挑戰(zhàn)及可行性方案。



知之既深,行之則遠(yuǎn),3D科學(xué)谷為業(yè)界提供全球視角的增材與智能制造深度觀察,有關(guān)3D打印在細(xì)分應(yīng)用領(lǐng)域的更多分析,請(qǐng)前往3D科學(xué)谷發(fā)布的《銅金屬3D打印白皮書第二版》。



l 參考資料:



On the processability of copper components via powder-based additive manufacturing processes: Potentials, challenges and feasible solutions.



Laser 3D printing of complex copper structures.



Laser powder bed fusion of metal coated copper powders.



Copper-graphite composite: shear modulus, electrical resistivity, and cross-property connections



Effect of heat treatments on microstructure and properties of CuCrZr produced by laser-powder bed fusion.



Microstructure and mechanical properties of additive manufactured copper alloy.



Microstructure and properties of high strength and high conductivity cu-Cr alloy components fabricated by high power selective laser melting.


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