一种激光增材制造高强、高导铜设计策略

来源：材料科学与工程

在热管理和导电应用中，具备制造完全致密、高导热/导电性和优异力学性能的铜（Cu）零部件的能力至关重要。增材制造（AM），即3D打印，为生产具有复杂几何形状的铜零部件提供了前所未有的机会。然而，纯铜对红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设备打印的纯铜零部件往往具有很高的孔隙率，从而降低了它们的机械和导热/导电性能。尽管通过配备短波长绿色激光或电子束的增材制造设备能够制造高致密度的纯铜零部件，但纯铜的固有低强度以及无法抵抗热软化的特性阻碍了激光增材制造铜零部件在高机械负载和高温条件下应用。

▲论文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-024-45732-y

为解决上述问题，澳大利亚昆士兰大学张明星教授团队与莫纳什大学Christopher Hutchinson教授、悉尼大学Julie Cairney教授、西北工业大学李淼泉教授、重庆大学黄晓旭教授、丹麦科技大学Jesper Henri Hattel教授、墨尔本皇家理工大学Mark Easton教授等团队合作，提出了一种3D打印高强高导铜的设计策略。设计策略的关键是选择一种添加剂颗粒与纯铜粉末均匀混合，确保其在激光与粉末作用时提升纯铜的激光吸收率。此外，添加剂颗粒在粉末熔化时熔解到熔池中并在凝固时重新沉淀，弥散分布在铜基体中，从而强化铜而不明显降低其导热/导电性。添加剂颗粒的筛选判据如下：（1）颗粒组成元素在铜中的固溶度应极小，以减小其对导热/导电性的不利影响，并在最大程度上促使纳米颗粒在凝固时重新沉淀；（2）颗粒应具有较低的熔点，以便于其在熔池中熔解，并在凝固过程中弱化再沉淀纳米颗粒粗化的可能性；（3）颗粒在液态铜中应具有较低的润湿角，以防止再沉淀纳米颗粒在液态铜中的团聚。根据这一设计思路，研究团队发现六硼化镧（LaB6）符合上述判据。通过添加微量LaB6纳米颗粒，实现了高致密度与高性能铜及其几何复杂零件的激光增材制造。

相关工作以“Manufacturing of high strength and high conductivity copper with laser powder bed fusion”为题，发表在国际顶级期刊《Nature Communications》上。

研究背景
增材制造（AM），即3D打印，能够快速制造几何复杂的铜零部件，在热管理和导电领域具有广泛的应用前景。然而，纯铜很软，同时其对红外激光的高反射率通常导致3D打印零部件具有高孔隙率，从而降低了其性能。尽管使用绿色激光或电子束进行增材制造可以打印高致密度的纯铜零部件，但纯铜在室温下固有的低强度以及其无法抵抗热软化的特性，限制了增材制造铜零部件在承受高机械负载和高温条件下的应用。通过纯铜合金化，向纯铜中添加Cr、Co、Fe和Zr等元素可以提高激光吸收率并强化基体，但由于它们在铜中的高固溶度，该方法会显著降低铜的导热/导电性。另一种方法是添加与纯铜不相溶的外部颗粒（Al2O3、TiB2等）以强化铜，同时保持高导热/导电性。但是，在实际操作过程中，由于纳米颗粒团聚，要在不损害延展性和损伤容限的情况下获得显著的强化效果，被证明是极其困难的。因此，合金化或添加不相容的外部颗粒可以提高强度和改善激光吸收特性，但通常会导致导热/导电性和延展性的显著降低。3D打印高强高导铜零部件仍然是一个亟待解决的难题。

关键方法
在这里，研究团队通过在激光粉末床熔融（L-PBF）的纯铜粉末中添加少量六硼化镧（LaB6）纳米颗粒，展示了一种制备高致密度高性能铜零部件的激光增材制造方法。该方法的关键在于向纯铜中引入恰当的颗粒，这些颗粒可以提升纯铜的激光吸收率，随后在熔池中溶解及在凝固过程中重新沉淀。选择LaB6是基于其高激光吸收率、较好的导电性、较低的熔点以及与液态铜较低的润湿角。

图1 激光粉末床熔融制备纯铜及LaB6掺杂铜的显微组织与激光反射率测试结果   

LaB6具有双重作用。首先，它提高了纯铜的激光吸收率，从而有利于粉末更好地熔合。其次，它能够在粉末熔化过程中熔解，随后在凝固过程中重新沉淀为弥散分布的纳米颗粒，这不仅增强了材料的强度，还保持了较大的延展性和高导热/导电性。1wt% LaB6掺杂铜表现出了346.8 MPa屈服强度，比纯铜高3.7倍，同时具有22.8%的断裂延展率、98.4% IACS（国际退火纯铜标准）的电导率、387 W/m·K的热导率以及能够在接近纯铜熔点的1050℃下表现出优异的抵抗软化能力。此外，在本研究中也展示了该方法对几何复杂零件的适用性。

图2 激光粉末床熔融制备LaB6掺杂铜的纳米颗粒分析

新开发的LaB6掺杂铜填补了合金3D打印中的一个重要空白，并适用于高机械负载和高温环境。由于均匀弥散分布的纳米颗粒通常被用来强化金属材料，因此这种熔解和凝固时重新沉淀的设计策略可以扩展到其他合金体系，用于开发即3D打印即使用的高性能材料。

图3 激光粉末床熔融制备LaB6掺杂铜的APT元素表征

图4 激光粉末床熔融制备LaB6掺杂铜的力学性能与导电性测试结果   

图5 激光粉末床熔融制备LaB6掺杂铜点阵压缩性能测试结果

研究团队
共同第一作者：昆士兰大学刘印刚博士（现西北工业大学航空学院教授）和张敬奇博士
共同通讯作者：昆士兰大学张明星教授、悉尼大学钮然铭博士和莫纳什大学Christopher Hutchinson教授