香港中文大學(xué)增材頂刊：激光粉末增材制造高性能細(xì)晶純銅！

來(lái)源：材料學(xué)網(wǎng)

導(dǎo)讀：純銅具有優(yōu)良的導(dǎo)熱性和導(dǎo)電性，已廣泛應(yīng)用于許多行業(yè)。增材制造(AM)的發(fā)展使銅部件的原型制作更加快速且經(jīng)濟(jì)有效。特別是作為增材制造技術(shù)之一的激光粉末床熔合(LPBF)技術(shù)，現(xiàn)在已經(jīng)可以制造具有復(fù)雜幾何形狀的純銅部件了。然而，在大多數(shù)商用光纖激光增材制造機(jī)所使用的波長(zhǎng)上，純銅中激光能量的高反射對(duì)工業(yè)實(shí)踐提出了挑戰(zhàn)。為了解決這一問(wèn)題，必須采用更高的激光功率、不同的激光波長(zhǎng)或不同的能量源(如電子)，這可以緩解激光吸收率低的問(wèn)題，但也會(huì)導(dǎo)致機(jī)械性能和熱/電性能之間不好權(quán)衡。在目前的研究中，結(jié)合細(xì)和小層厚度的高精度LPBF (HP-LPBF)在接近退火后未熱處理的情況下保持熱導(dǎo)率和電導(dǎo)率，獲得了優(yōu)異的強(qiáng)度和延展性。利用小層厚和67°旋轉(zhuǎn)角的掃描策略，抑制了柱狀晶粒的生長(zhǎng)，削弱了材料性能的各向異性。因此，HP-LPBF制備的純銅在力學(xué)、熱學(xué)和電學(xué)性能上都優(yōu)于傳統(tǒng)PBF制備的純銅，各向異性降低。

隨著電子和電動(dòng)汽車(chē)行業(yè)的快速發(fā)展，純銅因其較高的導(dǎo)熱性和導(dǎo)電性(分別為T(mén)C和EC）而受到大量需求。增材制造(AM)或三維(3D)打印已經(jīng)成為制造復(fù)雜銅組件的突破性技術(shù)，特別是在對(duì)TC和EC要求較高的應(yīng)用領(lǐng)域，如電磁線圈，熱交換器和散熱器等領(lǐng)域。隨著對(duì)多功能AMed組件的需求不斷增加，開(kāi)發(fā)一種AM方法來(lái)實(shí)現(xiàn)具有良好熱/電和機(jī)械性能的多功能銅組件是至關(guān)重要的。

然而，純銅的機(jī)械性能通常不能滿足承載應(yīng)用的要求。因此，為了滿足強(qiáng)度要求，純Cu經(jīng)常被力學(xué)性能更好的Cu合金所取代，但這種合金的TC和EC通常較低。因此，在純銅組件的3D打印中，實(shí)現(xiàn)高強(qiáng)度和高延展性，同時(shí)保持高TC和EC是非常重要的。

粉末床融合（PBF）技術(shù)是一種能夠打印復(fù)雜、多尺度結(jié)構(gòu)的AM技術(shù)。特別是電子束PBF (EB-PBF)過(guò)程在純銅組分中產(chǎn)生較高的相對(duì)密度（RD），而不存在束流能量吸收較低的問(wèn)題。然而，EB-PBF往往會(huì)導(dǎo)致高表面粗糙度并且打印分辨率有限（通常 > 500 μm）。此外，EB-PBF工藝中較低的冷卻速度和原位退火往往會(huì)產(chǎn)生較大的柱狀晶粒，導(dǎo)致屈服應(yīng)力較低（YS，~70 MPa）。

相比之下，在打印具有復(fù)雜特征(高分辨率)和復(fù)雜結(jié)構(gòu)的部件方面，LPBF相比EB-PBF，具有固有的優(yōu)勢(shì)，因?yàn)榍罢呤褂玫姆勰└��?xì)（<53 μm），光束尺寸比后者更小。傳統(tǒng)的LPBF (cLPBF)工藝通常采用的束流尺寸為50-200 μ m，層厚為20-50 μ m，粉末尺寸為15-53 μ m。然而，由于純Cu具有較高的TC和紅外激光反射率，使用這種配置很難制備出綜合(機(jī)械、熱、電)性能良好的純Cu組件。此外，cLPBF制備的組件通常含有缺乏熔合缺陷，其RD較低，低于99%，導(dǎo)致組件TC和EC較低。

在本文中，香港中文大學(xué)宋旭教授聯(lián)合香港理工大學(xué)的研究人員們對(duì)此進(jìn)行了研究，采用HP-LPBF制備了綜合性能良好的純銅樣品(YS > 200 MPa，伸長(zhǎng)率~40%，TC ~ 383w /m·K, EC為IACS的96%)。67°的旋轉(zhuǎn)掃描策略使打印樣品具有細(xì)晶粒和扭曲的GB，因此各向異性較低。這些確保了 HP-LPBF 制造的純銅部件比傳統(tǒng)PBF制造的的組件具有更好的機(jī)械、熱和電氣性能。這種HP-LPBF方法可以很容易地?cái)U(kuò)展到其他反光金屬的增材制造中，以獲得許多新穎和有前景的應(yīng)用。相關(guān)研究成果以題為Anisotropic material properties of pure copper with fine-grained microstructure fabricated by laser powder bed fusion process發(fā)表在Additive Manufacturing上。

鏈接：https://doi.org/10.1016/j.addma.2022.103082

本研究采用高精度LPBF (HP-LPBF)系統(tǒng)制備純Cu樣品。該系統(tǒng)采用25 μ m的激光束，10 μm 的層厚和 5–30 μm 的粉末尺寸。至關(guān)重要的是，在HP-LPBF中，光束尺寸的減小會(huì)增加激光能量的集中，從而降低維持給定的體積能量密度所需的激光功率；層厚度的減小提高了層間重熔過(guò)程的效率；粉末尺寸的減小增加了激光能量的吸收。通過(guò)結(jié)合這三種特性，HP-LPBF可以同時(shí)制備高分辨率、低粗糙度、高密度的純Cu樣品。此外，與cLPBF相比，HP-LPBF能獲得更細(xì)的晶粒，細(xì)晶粒組織有利于Cu樣品的制備，因?yàn)槊}沖電沉積純Cu樣品由于細(xì)晶粒強(qiáng)化而表現(xiàn)出高強(qiáng)度和高導(dǎo)電性。因此，為了獲得更高的綜合性能，應(yīng)采用HP-LPBF技術(shù)對(duì)純Cu樣品進(jìn)行印前微細(xì)晶粒組織的制備。

經(jīng)LPBF處理的組件往往表現(xiàn)出晶粒取向相關(guān)的特性，且組件的晶粒取向與其構(gòu)建方向(BD)密切相關(guān)。在連續(xù)逐層的LPBF制備過(guò)程中，熱梯度方向近似于BD方向，這不可避免地導(dǎo)致織構(gòu)微結(jié)構(gòu)和各向異性材料特性。這一現(xiàn)象使AM設(shè)計(jì)過(guò)程復(fù)雜化，因?yàn)樵谠O(shè)計(jì)階段必須考慮材料的各向異性。當(dāng)下，有許多研究探究了LPBFed金屬組分的各向異性顯微結(jié)構(gòu)和性能。Thomas等學(xué)者研究了EB-PBFed純Cu組分的各向異性，發(fā)現(xiàn)它們的電學(xué)性能、YS和延性幾乎是各向同性的，而它們的加工硬化行為取決于它們的織構(gòu)和BD，因?yàn)樵贓B-PBF過(guò)程中的原位退火導(dǎo)致了顯著的晶粒長(zhǎng)大。通過(guò)對(duì)其他金屬材料的研究，純Cu組分的各向異性可以歸結(jié)為外延生長(zhǎng)產(chǎn)生的長(zhǎng)柱狀晶粒。此外，雖然含有少量晶界的大晶粒組分比含有大量晶界的小晶粒組分的各向異性較低，但前者的強(qiáng)度較后者弱。因此，純Cu組件必須采用原位細(xì)化晶粒的工藝來(lái)制備，并且要抑制長(zhǎng)而細(xì)的柱狀晶粒的形成。

圖 1  純銅粉的表征。(a) 純銅粉的 SEM 形貌。(b)粒度分布。

圖 2  樣品制造和測(cè)量中的定義。(a) 0°/45°/90° 方向的印刷散裝樣品，(b) 建筑平臺(tái)上的測(cè)試樣品布局，(c) 各種測(cè)試樣品的尺寸規(guī)格。

圖 4  HP-LPBFed 純銅樣品的微觀結(jié)構(gòu)表征。（a-c）不同放大倍率和位置的印刷樣品的形態(tài)，（d-f）A67樣品的側(cè)面，（g-i）A67樣品的頂面，（j-l）A0樣品的側(cè)面。(d, g, j) OM 圖像，(e, h, k) EBSD 晶粒取向圖和 (f, i, l) GB 分布圖。(m) 代表性 IPF 圖，(n) 印刷純銅樣品的晶粒尺寸分布，(o)印刷純Cu樣品的GB長(zhǎng)度密度和HAGB/LAGB分?jǐn)?shù)。

圖 5  A67 和 A0 的晶粒形態(tài)表征。(a) 線性 GB 密度；(b) 晶粒尺寸和縱橫比；(c-d) (c) A67 和 (d) A0 樣品的代表性晶粒形態(tài)。

圖 6  HP-LPBF制造的純 Cu A0 和 A67 樣品的性質(zhì)。(a) 工程應(yīng)力-應(yīng)變曲線；(b) 真實(shí)應(yīng)力-應(yīng)變曲線；(d) 標(biāo)準(zhǔn)化加工硬化率；(e) 瞬時(shí)加工硬化指數(shù)；(c- f)樣品方向?yàn)?0°、45° 和 90° 的各向異性比（0° 時(shí)的各向異性比 = 1）；(g) 0°、45° 和 90° 樣品方向的顯微硬度；(h) 樣品取向?yàn)?0°、45° 和 90° 的各向異性比（取向 0° = 1 的各向異性比）；(i) 不同方向的熱和電特性。

圖 7  晶粒尺寸對(duì)印刷后的純銅樣品 HP-LPBF拉伸性能的影響。(a) 使用不同的加工參數(shù)值制造的樣品的典型拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線，并表現(xiàn)出不同的晶粒尺寸；(b) HP-和 HS-A67 樣品的 IPF 圖。（c-f）通過(guò) SEM 在不同放大倍率下觀察到的樣品的斷裂形態(tài)。

圖 8  Schmid 因子分布和樣本的平均 Schmid 因子。(a) A67–0°, (b) A67–45°, (c) A67–90°, (d) A0–0°, (e) A0–45°, (f) A0–90°。

圖 9  銅的 XRD 曲線和衍射圖案的威廉姆森霍爾圖。

圖 10  (a) A67 樣品的側(cè)面、(b) A67 樣品的頂面、(c) A0 樣品的側(cè)面和 (d) 相應(yīng)樣品上的 GND 密度分布的 GND 圖。

HP-LPBF采用25 μm精細(xì)激光束和10 μm層厚，實(shí)現(xiàn)了純銅的高綜合性能，具有良好的導(dǎo)熱/導(dǎo)電性和機(jī)械性能。通過(guò)旋轉(zhuǎn)層間掃描方向，減小了晶�？v橫比，提高了力學(xué)性能，同時(shí)減弱了材料的各向異性。細(xì)粒度約為 5 μm 歸因于 HP-LPBF 形成的較小熔池。印刷零件的電氣和熱性能在退火條件下接近商業(yè)純銅。總體而言，HP-LPBF 制造的純銅的綜合性能優(yōu)于其他 PBF 技術(shù)，在電磁學(xué)和熱管理等許多令人興奮的應(yīng)用中具有巨大潛力。

圖 11  HP-LPBF 與其他 PBF 工藝獲得的純銅的比較。(a) UTS 與斷裂伸長(zhǎng)率；(b) EC 與 YS。