在熱管理和導(dǎo)電應(yīng)用中，具備制造完全致密、高導(dǎo)熱/導(dǎo)電性和優(yōu)異力學(xué)性能的銅（Cu）零部件的能力至關(guān)重要。增材制造（AM），即3D打印，為生產(chǎn)具有復(fù)雜幾何形狀的銅零部件提供了前所未有的機(jī)會(huì)。然而，純銅對(duì)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(shè)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(jī)械和導(dǎo)熱/導(dǎo)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(shè)備能夠制造高致密度的純銅零部件，但純銅的固有低強(qiáng)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(jī)械負(fù)載和高溫條件下應(yīng)用。

為解決上述問題，澳大利亞昆士蘭大學(xué)張明星教授團(tuán)隊(duì)與莫納什大學(xué)Christopher Hutchinson教授、悉尼大學(xué)Julie Cairney教授、西北工業(yè)大學(xué)李淼泉教授、重慶大學(xué)黃曉旭教授、丹麥科技大學(xué)Jesper Henri Hattel教授、墨爾本皇家理工大學(xué)Mark Easton教授等團(tuán)隊(duì)合作，提出了一種3D打印高強(qiáng)高導(dǎo)銅的設(shè)計(jì)策略。設(shè)計(jì)策略的關(guān)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(shí)提升純銅的激光吸收率。此外，添加劑顆粒在粉末熔化時(shí)熔解到熔池中并在凝固時(shí)重新沉淀，彌散分布在銅基體中，從而強(qiáng)化銅而不明顯降低其導(dǎo)熱/導(dǎo)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(yīng)極小，以減小其對(duì)導(dǎo)熱/導(dǎo)電性的不利影響，并在最大程度上促使納米顆粒在凝固時(shí)重新沉淀；（2）顆粒應(yīng)具有較低的熔點(diǎn)，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(yīng)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(tuán)聚。根據(jù)這一設(shè)計(jì)思路，我們發(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(shí)現(xiàn)了高致密度與高性能銅及其幾何復(fù)雜零件的激光增材制造。

相關(guān)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(jí)期刊《Nature Communications》上。昆士蘭大學(xué)劉印剛博士（現(xiàn)西北工業(yè)大學(xué)航空學(xué)院教授）和張敬奇博士為共同第一作者，昆士蘭大學(xué)張明星教授、悉尼大學(xué)鈕然銘博士和莫納什大學(xué)Christopher Hutchinson教授為共同通訊作者。

增材制造（AM），即3D打印，能夠快速制造幾何復(fù)雜的銅零部件，在熱管理和導(dǎo)電領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。然而，純銅很軟，同時(shí)其對(duì)紅外激光的高反射率通常導(dǎo)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(jìn)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(qiáng)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(jī)械負(fù)載和高溫條件下的應(yīng)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(qiáng)化基體，但由于它們?cè)阢~中的高固溶度，該方法會(huì)顯著降低銅的導(dǎo)熱/導(dǎo)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(qiáng)化銅，同時(shí)保持高導(dǎo)熱/導(dǎo)電性。但是，在實(shí)際操作過程中，由于納米顆粒團(tuán)聚，要在不損害延展性和損傷容限的情況下獲得顯著的強(qiáng)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(qiáng)度和改善激光吸收特性，但通常會(huì)導(dǎo)致導(dǎo)熱/導(dǎo)電性和延展性的顯著降低。3D打印高強(qiáng)高導(dǎo)銅零部件仍然是一個(gè)亟待解決的難題。

在這里，我們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(guān)鍵在于向純銅中引入恰當(dāng)?shù)念w粒，這些顆�？梢蕴嵘�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(dǎo)電性、較低的熔點(diǎn)以及與液態(tài)銅較低的潤濕角。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(qiáng)了材料的強(qiáng)度，還保持了較大的延展性和高導(dǎo)熱/導(dǎo)電性。1wt% LaB6摻雜銅表現(xiàn)出了346.8 MPa屈服強(qiáng)度，比純銅高3.7倍，同時(shí)具有22.8%的斷裂延展率、98.4% IACS（國際退火純銅標(biāo)準(zhǔn)）的電導(dǎo)率、387 W/m·K的熱導(dǎo)率以及能夠在接近純銅熔點(diǎn)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(duì)幾何復(fù)雜零件的適用性。新開發(fā)的LaB6摻雜銅填補(bǔ)了合金3D打印中的一個(gè)重要空白，并適用于高機(jī)械負(fù)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(qiáng)化金屬材料，因此這種熔解和凝固時(shí)重新沉淀的設(shè)計(jì)策略可以擴(kuò)展到其他合金體系，用于開發(fā)即打印即使用的高性能材料。

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(cè)試結(jié)果

圖2、激光粉末床熔融制備LaB6摻雜銅的納米顆粒分析

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(xué)性能與導(dǎo)電性測(cè)試結(jié)果

圖5、激光粉末床熔融制備LaB6摻雜銅點(diǎn)陣壓縮性能測(cè)試結(jié)果

論文地址：

https://www.nature.com/articles/s41467-024-45732-y

轉(zhuǎn)自：材料人

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