Tendències de recerca i desenvolupament i problemes dels materials avançats d'aliatge de coure
El coure i els aliatges de coure són una classe de materials clau amb aplicacions importants. A causa de la seva excel·lent conductivitat tèrmica, conductivitat elèctrica, ductilitat, resistència a la corrosió i altres propietats, el coure és un material necessari en determinades aplicacions aeroespacials, armes i equips. En els últims dos anys, la indústria manufacturera ha sentit clarament el creixement de la demanda d'aliatges de coure. Els nous usuaris desenvolupen constantment aplicacions de fabricació d'additius d'aliatge de coure. Els materials també han passat del bronze d'estany fos de fàcil forma inicial al coure pur i diversos tipus de coure d'alta resistència i alta conductivitat. Segons un informe d'investigació, el mercat global de fabricació d'additius de coure creixerà a una taxa de creixement anual composta del 51% del 2019 al 2027. Tot i que encara hi ha molts problemes de procés i materials en la impressió d'aliatge de coure, és previsible que el coure tingui un lloc en la fabricació additiva metàl·lica. L'estat d'aplicació dels materials d'aliatge de coure a casa i a l'estranger. Amb el ràpid progrés de les indústries d'alta tecnologia, s'estan desenvolupant nous materials en la direcció d'un rendiment ultra alt, alta puresa i alta iteració. S'ha proposat la integració, funcionalitat, miniaturització, fiabilitat, etc. de productes relacionats. Requisits més alts. Com a materials conductors bàsics, el coure i els aliatges de coure avançats s'utilitzen àmpliament en marcs de plom de circuits integrats a molt gran escala a la indústria de la informació electrònica, contramesures electròniques, radars, tubs de microones d'alta potència per a equips de defensa nacional, materials conductors per a camps magnètics d'alt pols. , cables aeri per al trànsit ferroviari d'alta velocitat i gran modulació de freqüència de potència i regulació de velocitat barres de guia de motor de tracció asíncrona i anells finals, elèctrodes de soldadura per resistència, materials de bateries, materials elàstics de pila de càrrega per a vehicles de nova energia, cristal·litzadors de màquines de colada contínua i buit elèctric dispositius per a la indústria metal·lúrgica, ponts de contacte d'interruptor i diversos components per a filferros d'enginyeria elèctrica, etc. Actualment, molts fabricants estrangers coneguts de fabricació additiva han inclòs materials de coure als seus catàlegs de productes. De manera més representativa, EOS va publicar fulls de dades de Cu i CuCrZr purs el 2020, i el 2021 va llançar versions AMCM (Màquina personalitzada de fabricació additiva) dels dos tipus de materials, una filial d'EOS. SLM Solutions ha llançat successivament les dades de productes CuSn10 i CuCrZr. El 2019, la companyia va llançar productes CuNi2SiCr que combinen força i conductivitat elèctrica i tèrmica. Es poden utilitzar en els camps de motlle i elèctric i s'han convertit en un producte de gran èxit en la fabricació additiva de materials d'aliatge de coure. Els fabricants de materials TLS Technik, m4p, Sandvik, Makin i altres empreses han anunciat els seus propis productes d'aliatge de coure de fabricació additiva. Actualment, els materials d'aliatge de coure i coure per a la fabricació additiva es concentren en Cu pur, CuSn10, CuCrZr i CuNi2SiCr. Tot i que CuNiSn, CuCr, CuCrNb, CuAlFeNi i altres materials també tenen investigacions i aplicacions relacionades amb la fabricació additiva, el grau d'aplicació no és tan alt com les quatre primeres categories de productes. 1. En comparació amb els aliatges de coure, l'avantatge del Cu pur és la seva conductivitat elèctrica i tèrmica, perquè diversos aliatges de coure inevitablement perdran conductivitat elèctrica i tèrmica després d'afegir elements al coure. Com que el coure pur té una baixa taxa d'absorció a la longitud d'ona convencional de 1064 nm, l'anomenada longitud d'ona de la llum vermella, i és difícil d'aconseguir la densificació, la impressió de Cu pur sempre ha estat un problema. La solució actual és utilitzar làsers de longitud d'ona curta, com l'equip làser verd de 515 nm de TRUMPF, i l'altra és augmentar la potència, com l'equip AMCM d'EOS equipat amb un làser d'1Kw per a la impressió de coure pur. Independentment del tipus d'equip que s'utilitzi per a la impressió, si voleu obtenir peces de coure pur amb alta densitat o alta conductivitat elèctrica i tèrmica, la pols de matèria primera ha de mantenir una gran puresa alhora que té característiques de pols que faciliten la densificació. , com ara la distribució raonable de la mida de les partícules i el flux. Té les característiques de bona durabilitat i alta densitat aparent.
Pel que fa a la preparació de pols de coure pur, l'objectiu és mantenir una gran puresa dels materials mentre es manté una alta esfericitat. 2. CuSn10 CuSn10 és una mena de bronze d'estany colat que és fàcil de formar. Molts models o manualitats amb materials de coure utilitzen material CuSn10 per a la impressió.
L'aliatge CuSn10 té una gran resistència i durabilitat. Té una excel·lent resistència al desgast i a la corrosió i es pot utilitzar per fabricar peces resistents al desgast, com ara fulles i engranatges. Tanmateix, la seva conductivitat elèctrica i tèrmica no és alta, de manera que CuSn10 generalment no s'utilitza per als requisits de conductivitat elèctrica o tèrmica. CuSn10 és un producte convencional entre els materials actuals d'aliatge de coure de fabricació additiva. 3. El motor de coets CuCrZr és un escenari d'aplicació típic de l'aliatge de coure. Els requisits de material per als revestiments del motor i les peces relacionades són extremadament alts. D'una banda, la temperatura de combustió a la cambra de combustió és extremadament alta (més de 3000 graus). D'altra banda, el gas a alta temperatura, alta pressió i alta velocitat tenen una forta erosió dels materials. L'aliatge de CuCr és un aliatge de coure reforçat per precipitació típic. L'addició de l'element Zr pot afavorir la precipitació de la fase Cr i millorar la distribució de les fases precipitades. Al mateix temps, el compost de coure-zirconi format per Zr i Cu pot exercir el paper d'enfortiment de la precipitació. Per tant, la mecànica de l'aliatge CuCrZr té un rendiment excel·lent i es pot utilitzar en la fabricació de peces de motor de coets. En els darrers anys, les unitats aeroespacials domèstiques han dut a terme molts treballs d'investigació i desenvolupament en la fabricació additiva de peces de la cambra d'empenta del motor de coets, i CuCrZr és el material opcional actual.
Val la pena esmentar que els materials d'aliatge de coure Rockets per a peces de motor encara s'estan actualitzant i iterant. CuZr, CuCr, CuAgZr, CuCrNb i altres materials s'han aplicat a la investigació, especialment GRcop-42 (Cu{-4Cr{-2Nb en %), s'espera que millori la cambra de combustió del motor de coets materials a un nou nivell. 4. CuNi2SiCrSLM Solutions va llançar el producte de material d'aliatge de coure CuNi2SiCr el 2019. Aquest material és un aliatge endurible amb tractament tèrmic d'alta resistència i una combinació equilibrada de conductivitat elèctrica i conductivitat tèrmica. Al mateix temps, l'aliatge inclou components de níquel i silici i té una alta resistència a la corrosió i al desgast. CuNi2SiCr en si no és un component nou. Aquest material correspon a l'aliatge estàndard nord-americà C18000. SLM Solutions va prendre el lideratge en l'ús d'aquest material per a la fabricació additiva i va dur a terme treballs d'identificació de materials i verificació de paràmetres, afegint un membre important a la família d'aliatges de coure de fabricació additiva. . La força de CuNi2SiCr després del tractament tèrmic és significativament superior a la de CuCrZr i altres materials. Al mateix temps, pot mantenir una certa conductivitat tèrmica i conductivitat elèctrica. Ja pot complir alguns requisits de fabricació de motlles i requisits de peces conductores, de manera que tindrà aplicacions importants en els camps de motlle i elèctric. Tendències i problemes d'R+D als quals s'enfronten els materials avançats d'aliatge de coure del meu país (1) Tendències tecnològiques d'R+D En els darrers anys, el nivell global d'aliatges de coure d'alt rendiment del meu país i la seva tecnologia de preparació ha avançat molt i els tipus d'aliatge de coure d'alt rendiment els productes amb drets de propietat intel·lectual independents han continuat augmentant. , el nivell instal·lat de processament de material d'aliatge de coure és proper al nivell avançat internacional. La tendència de desenvolupament de la R+D i la industrialització de materials avançats d'aliatge de coure presenta les característiques següents. (1) Des dels requisits de rendiment únics fins als requisits de funcions multifuncionals. Per exemple, els materials basats en coure amb alta conductivitat tèrmica i altes propietats de blindatge electromagnètic haurien de satisfer la demanda de materials conductors en camps d'alta precisió, com ara sistemes de camp magnètic fort polsat i transmissors electromagnètics accelerats per partícules; línies de contacte de la xarxa elèctrica del ferrocarril d'alta velocitat amb una velocitat de 380 km/h A més de l'alta conductivitat elèctrica, també hauria de tenir una major resistència, resistència al desgast i resistència a la fatiga; Els aliatges de coure per a circuits integrats a gran escala han de tenir una alta resistència i alta conductivitat, resistència a la calor, resistència a la flexió, fàcil gravat i altres característiques. (2) Els materials de processament de coure es desenvolupen en la direcció d'una precisió fina, prima, llarga i alta. La demanda de productes com ara filferros ultrafins, tires ultrafines, tubs de paret primes, tubs extrallargs, tires extrallargues, tubs roscats, tubs de forma especial, barres de forma especial, tires de forma especial, etc. continua augmentant. Per exemple, el marc de plom reflecteix el multi-pin i d'alta densitat, la tendència de desenvolupament d'ultra-prim i miniaturització. (3) Alta purificació del coure. El contingut de coure del coure industrial s'ha incrementat del 99,9% al 99,95%, i després al 99,99% o fins i tot més, per tal de maximitzar la conductivitat elèctrica i tèrmica del material. El coure ultra pur, que conté un 99,999 9% de coure, minimitzarà l'impacte de les impureses en la conductivitat elèctrica i tèrmica. (4) Material compost. Un únic mètode d'enfortiment de materials té un potencial limitat i l'ús de mètodes compostos per millorar encara més el rendiment integral dels materials de coure s'ha convertit en un punt d'investigació. Per exemple, afegir partícules, bigotis o fibres de segona fase als aliatges de coure per enfortir de manera composta la matriu de coure i desenvolupar nous materials compostos multifuncionals basats en coure és de gran importància per a la teoria del disseny d'aliatges de coure d'alt rendiment i aplicacions pràctiques en camps tecnològics. valor. (2) Problemes enfrontats Tot i que el meu país és el major productor de materials d'aliatge de coure del món, encara no és un país fort en materials d'aliatge de coure. el meu país encara depèn en gran mesura de les importacions d'aliatges de coure d'alt rendiment que es necessiten amb urgència en molts camps d'alta tecnologia, com ara l'aeroespacial, la informació electrònica, l'enginyeria marina i els equips de gamma alta. Hi ha moltes empreses de producció de materials d'aliatge de coure, baixa concentració industrial, feble competitivitat del producte i minsos beneficis de la indústria. , incapaç de donar suport al desenvolupament de les indústries d'alta tecnologia. Els principals problemes implicats en la indústria dels materials d'aliatge de coure són els següents. (1) Hi ha poques varietats i graus de materials d'aliatge de coure d'alt rendiment. El rendiment integral d'alguns aliatges de coure d'alt rendiment és generalment inferior al de productes importats similars. Per exemple, els graus de les tires de marc de plom Cu-Ni-Si i Cu-Cr-Zr desenvolupats i produïts de manera independent són extremadament baixos. pocs. (2) La capacitat de producció estable de productes d'aliatge de coure de gran mida i d'alta qualitat s'ha de millorar amb urgència. Per exemple, encara es necessiten avenços en l'estabilitat del rendiment, la qualitat de la superfície i els productes acabats complets de productes de tires d'aliatge de coure elàstic d'alta precisió. (3) El procés de processament d'aliatges de coure d'alt rendiment provoca una gran contaminació ambiental i un greu malbaratament de recursos; la tecnologia de preparació de procés curt d'alta eficiència encara no està madura i cal millorar la qualitat i el rendiment del producte. (4) La manca de tecnologia de fabricació independent per a alguns equips de producció de gamma alta limita el desenvolupament de nous productes. Per exemple, la majoria dels equips de producció de làmines d'alta precisió depenen de les importacions. (5) Alguns materials d'aliatge de coure de gamma alta no tenen drets de propietat intel·lectual independents ni plataformes públiques d'investigació i desenvolupament, i la construcció de bases de dades en termes de propietats dels materials, tecnologia de producció, estàndards i especificacions queda enrere. (6) La tecnologia de preparació homogeneïtzada de gran mida de coure sense oxigen d'ultra-alta puresa i contingut d'oxigen ultra baix encara s'ha de millorar encara més, i la tecnologia de preparació de corrosió d'alta precisió, gran diàmetre i llarga vida. El coure blanc resistent s'ha de trencar encara més. Finalment, en comparació amb productes com ara el titani, l'alumini i els aliatges d'alta temperatura, la fabricació additiva de coure i aliatges de coure encara no està madura. EOS ha introduït un concepte similar al nivell de preparació tecnològica (TRL) per als productes materials des del 2019. Actualment, dos tipus de materials de coure estan marcats com a nivell 3, que és un nivell de verificació, mentre que productes com IN718 i AlSi10Mg solen ser de nivell {{ 86}}. En aquesta etapa, la fabricació additiva ha canviat gradualment de la verificació de models a la fabricació de productes. Els materials de fabricació additiva entraran en l'etapa de selecció o disseny de materials en funció de les aplicacions. La iteració actualitzada dels materials de coure i aliatges de coure és més òbvia. És previsible que amb l'avenç continu dels processos i materials, l'aplicació de fabricació additiva de materials de coure s'elevarà a un nou nivell. (Propietari del material en línia)
