發(fā)布日期：2024-09-01 來(lái)源: 網(wǎng)絡(luò) 閱讀量（）
金屬3D打印材料通常用于醫(yī)療、工業(yè)、汽車、能源和航空航天領(lǐng)域的各種應(yīng)用。銅及其合金在許多行業(yè)中是不可或缺的，因?yàn)樗鼈兙哂懈邔?dǎo)電性和耐腐蝕性，這使得它們可用于熱交換器和其他高導(dǎo)熱性和導(dǎo)電性應(yīng)用。基于巨大應(yīng)用前景，NASA開(kāi)發(fā)了GRCop-84和GRCop-42兩種3D打印專用銅合金，它們?cè)谏叩墓ぷ鳒囟认戮哂懈邔?dǎo)熱率和高機(jī)械性能。 3D打印技術(shù)參考注意到，來(lái)自美國(guó)路易斯安那州立大學(xué)、南方大學(xué)、NASA馬歇爾太空飛行中心以及格倫研究中心的科研人員對(duì)使用LPBF工藝制造的這兩種高性能合金的熱物理性能進(jìn)行了檢查。本文內(nèi)容將對(duì)這兩種銅合金的優(yōu)異性能機(jī)理進(jìn)行介紹，干貨內(nèi)容不容錯(cuò)過(guò)。 多種合金元素如Cr、Zr、Al、Fe、Ti和Nb，通常用于開(kāi)發(fā)不同的銅合金。例如，Cu-Cr合金具有優(yōu)異的機(jī)械性能，添加Nb、Zr或Ag后，Cu-Cr合金發(fā)展成三元系（Cu-Cr-X）。與Cu-Cr-Ag和Cu-Cr-Zr三元體系相比，Cu-Cr-Nb三元合金體系表現(xiàn)出高強(qiáng)度和優(yōu)異的導(dǎo)電性。此外，該三元合金體系具有高抗氧化性。 在Cu-Cr-Nb三元合金中，最突出的是GRCop-84（Cu-8Cr-4Nbat%）和GRCop-42（Cu-4Cr-2Nbat%）。它們由NASA開(kāi)發(fā)用于在高溫下需要高強(qiáng)度和高導(dǎo)電性的再生冷卻火箭發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室襯里。這些GRCop合金主要依賴于Cr2NbLaves相。對(duì)于GRCop-84和GRCop-42來(lái)說(shuō)，Cr和Nb大部分保留在Cr2NbLaves相中，因此合金的基體幾乎是純銅，因此具有出色的導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性。 GRCop-84表現(xiàn)出卓越的微觀結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、抗蠕變性、良好的導(dǎo)熱性和低循環(huán)疲勞壽命以及針對(duì)500–800°C進(jìn)行優(yōu)化的高拉伸強(qiáng)度。從室溫到1000°C，GRCop-84的熱膨脹性也低于銅和稀銅基合金。由于這些特性，GRCop-84在高溫應(yīng)用中表現(xiàn)出良好的潛力，如火箭燃燒室、永久金屬鑄造模具、聚變反應(yīng)堆、焊接電極和高溫?zé)峤粨Q器。 GRCop-42是通過(guò)降低Cr2Nb體積分?jǐn)?shù)犧牲機(jī)械性能來(lái)提高導(dǎo)熱性的。其導(dǎo)熱率比GRCop-84高約15%。由于GRCop合金能夠在壁溫升高的高應(yīng)變條件下重復(fù)使用，因此NASA廣泛采用GRCop合金用于高熱通量應(yīng)用。例如，GRCop-42已被選為用于制造運(yùn)載火箭的材料，如采用3D打印制造火箭發(fā)動(dòng)機(jī)再生冷卻燃燒室。 大多數(shù)材料在加熱時(shí)都會(huì)膨脹。這種熱膨脹會(huì)給火箭發(fā)動(dòng)機(jī)襯套帶來(lái)三個(gè)問(wèn)題。第一個(gè)問(wèn)題是熱引起的應(yīng)力：內(nèi)襯通常受到低溫高強(qiáng)度護(hù)套的約束，使襯里不能自由膨脹，而熱膨脹會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力，應(yīng)力通常會(huì)超過(guò)GRCop-42和GRCop-84的屈服強(qiáng)度。第二個(gè)問(wèn)題是這些熱應(yīng)力會(huì)導(dǎo)致材料永久變形，進(jìn)而造成冷卻通道內(nèi)的熱壁失效。第三個(gè)問(wèn)題是低循環(huán)疲勞，燃燒室襯里由于反復(fù)循環(huán)產(chǎn)生造成熱膨脹從而使局部承受超過(guò)1%的重復(fù)應(yīng)變，這是導(dǎo)致襯里失效的主要原因之一。 GRCop合金的熱導(dǎo)率和熱膨脹很大程度上分別由銅基體中溶解的微量元素以及存在的第二相的數(shù)量和類型控制。相對(duì)于純Cu、Cr和Cr2Nb沉淀物的存在降低了GRCop合金的熱膨脹，因?yàn)檫@些相的熱膨脹比Cu低。降低熱導(dǎo)率的主要元素是環(huán)境中的O、Cr、原料中的Fe以及用于熔化合金的陶瓷耐火材料中的Al和Si，任何未析出的過(guò)量Cr都會(huì)影響熱導(dǎo)率和熱膨脹。 為了實(shí)現(xiàn)所需的微觀結(jié)構(gòu)、熱物理性能和機(jī)械性能，GRCop合金在凝固過(guò)程中需要高冷卻速率。這是由于當(dāng)溫度降至略低于合金液相線溫度而銅仍處于熔融狀態(tài)時(shí)，Cr2Nb快速形成。高冷卻速率限制了Cr2Nb相的尺寸并確保了Cr2Nb相沉淀物在銅基體中的均勻分布。傳統(tǒng)上，GRCop粉末是通過(guò)氣體霧化技術(shù)制造的，其冷卻速率為104K/s。更傳統(tǒng)的制造技術(shù)，例如擠壓和熱等靜壓用于GRCop粉末成型。隨后，可以使用軋制、鍛造等方法對(duì)材料進(jìn)行常規(guī)加工。與GRCop-84相比，GRCop-42可以減輕粉末霧化過(guò)程中的一些高溫要求，因?yàn)镃r和Nb含量降低導(dǎo)致液相線°C）。 金屬增材制造是一種逐層制造金屬零件的工藝，具有多種構(gòu)建方法，包括粉末床熔融、定向能量沉積、冷噴涂、攪拌摩擦沉積和粘結(jié)劑噴射。在NASA等團(tuán)隊(duì)的研究中，GRCop樣品是通過(guò)激光粉末床熔融（L-PBF）工藝制造的。由于熔池尺寸小和快速激光掃描，L-PBF工藝具有104K/s至106K/s的高冷卻速率。采用該工藝，GRCop-42的層厚通常比GRCop-84有所增加，從而提高生產(chǎn)率。 雖然L-PBF工藝可以在實(shí)驗(yàn)室條件下進(jìn)行實(shí)施，但當(dāng)轉(zhuǎn)化為完整的生產(chǎn)環(huán)境時(shí)，工藝和輸入可能會(huì)發(fā)生變化。當(dāng)多個(gè)生產(chǎn)商使用自己的獨(dú)有的參數(shù)進(jìn)行打印時(shí)，差異可能會(huì)更加復(fù)雜博魚(yú)·體育。 在這項(xiàng)研究中，使用不同批次的氣霧化粉末構(gòu)建了八個(gè)GRCop-42樣品和兩個(gè)GRCop-84樣品。這些樣品由八家不同的供應(yīng)商生產(chǎn)，他們采用不同的專有操作程序，包括使用混合的原始粉末和回收粉末。使用回收粉末和多個(gè)供應(yīng)商是控制生產(chǎn)成本的現(xiàn)實(shí)規(guī)劃考慮。隨著GRCop合金從實(shí)驗(yàn)室轉(zhuǎn)移到生產(chǎn)環(huán)境，了解這些工藝能力并捕獲由此產(chǎn)生的微觀結(jié)構(gòu)、幾何形狀和性能差異至關(guān)重要。 本研究的目的是分析和比較不同供應(yīng)商使用不同L-PBF平臺(tái)和粉末批次生產(chǎn)樣品的熱物理性質(zhì)，特別是導(dǎo)熱率和熱膨脹。目的是評(píng)估商業(yè)供應(yīng)商供應(yīng)鏈內(nèi)熱物理特性的潛在變化，及影響GRCop合金熱物理性能的內(nèi)在因素，并相應(yīng)的建立工藝能力和設(shè)計(jì)指南。 研究人員分別測(cè)量了樣品從室溫到700℃的熱導(dǎo)率，還測(cè)量了20°C-1000°C的熱膨脹性?；谙喾治?、成分分析和熱導(dǎo)率測(cè)量，闡明了L-PBF打印的銅合金部件熱導(dǎo)率和熱膨脹的微小變化。 結(jié)果表明，用L-PBF工藝生產(chǎn)的GRCop-42和GRCop-84合金的熱物理性能表現(xiàn)出高度可重復(fù)的結(jié)果，與加工參數(shù)、粉末原料差異和機(jī)器類型無(wú)關(guān)。這意味著零件內(nèi)部和零件之間的一致性，并使設(shè)計(jì)人員更有信心在制造過(guò)程中滿足設(shè)計(jì)最小值，從而提高可靠性并降低風(fēng)險(xiǎn)。 GRCop-42樣品的熱導(dǎo)率表現(xiàn)出±4%的變化，并超出了已知的±3%的儀器變化，可能與溶解在銅基質(zhì)中的溶質(zhì)原子的量有關(guān)。雖然沒(méi)有發(fā)現(xiàn)明確的相關(guān)性，但事實(shí)證明這些因素可能是重要因素。未來(lái)需要進(jìn)行全面的原子尺度和微觀尺度研究，以充分闡明導(dǎo)熱系數(shù)的變化。 對(duì)于3D打印的GRCop-42和GRCop-84熱膨脹樣品，其熱膨脹行為與傳統(tǒng)工藝制造的材料在統(tǒng)計(jì)上顯著不同，但每種合金的熱膨脹行為是一致的。較低的熱膨脹將導(dǎo)致較低的熱致應(yīng)力、較少的熱致應(yīng)變引起的永久變形以及較長(zhǎng)的低周批量壽命。 根據(jù)3D打印技術(shù)參考的觀察，Velo3D和3D Systems均對(duì)NASA開(kāi)發(fā)的GRCop-42銅合金進(jìn)行了工藝開(kāi)發(fā)并實(shí)現(xiàn)了商業(yè)化，且兩家給出的材料性能確實(shí)極為接近。 重要的是，雖然L-PBF工藝打印的零件可以在受控實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中成功構(gòu)建，但到生產(chǎn)環(huán)境的轉(zhuǎn)換并不總是無(wú)縫的。許多機(jī)器和粉末批次之間存在差異，因此需要全面了解彼此獨(dú)立運(yùn)營(yíng)的多個(gè)供應(yīng)商之間的性能差異。整個(gè)商業(yè)供應(yīng)鏈的可重復(fù)性和再現(xiàn)性對(duì)于設(shè)計(jì)師來(lái)說(shuō)至關(guān)重要，旨在確保零件符合預(yù)期的性能和操作要求。具體來(lái)說(shuō)，熱導(dǎo)率和熱膨脹在設(shè)計(jì)過(guò)程中顯得至關(guān)重要。通過(guò)利用熱性能變化的知識(shí)，可以建立工藝能力和設(shè)計(jì)指南，促進(jìn)正在進(jìn)行的商業(yè)應(yīng)用的發(fā)展和進(jìn)一步的研究工作。 主編微信：2396747576（請(qǐng)注明身份）; 碩博千人交流Q群：248112776；網(wǎng)址：
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