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。然而，純銅對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)隊合作，提出了一種3D打印高強高導(dǎo)銅的設(shè)計策略。設(shè)計策略的關(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提升純銅的激光吸收率。此外，添加劑顆粒在粉末熔化時熔解到熔池中并在凝固時重新沉淀，彌散分布在銅基體中，從而強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重新沉淀；（2）顆粒應(yīng)具有較低的熔點，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，同時其對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化基體，但由于它們在銅中的高固溶度，該方法會顯著降低銅的導(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）以強化銅，同時保持高導(dǎo)熱/導(dǎo)電性。但是，在實際操作過程中，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�？梢蕴岣邚姸群透纳萍す馕�收特性，但通常會導(dǎo)致導(dǎo)熱/導(dǎo)電性和延展性的顯著降低。3D打印高強高導(dǎo)銅零部件仍然是一個亟待解決的難題。

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，這不僅增強了材料的強度，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屈服強度，比純銅高3.7倍，同時具有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幾何復(fù)雜零件的適用性。新開發(fā)的LaB6摻雜銅填補了合金3D打印中的一個重要空白，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化金屬材料，因此這種熔解和凝固時重新沉淀的設(shè)計策略可以擴(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)電性測試結(jié)果

圖5、激光粉末床熔融制備LaB6摻雜銅點陣壓縮性能測試結(jié)果

論文地址：

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

轉(zhuǎn)自：材料人

注：文章版權(quán)歸原作者所有，本文僅供交流學(xué)習(xí)之用，如涉及版權(quán)等問題，請您告知，我們將及時處理。