Dalam aplikasi manajemen termal dan konduktivitas listrik, sangat penting untuk memiliki kemampuan memproduksi komponen tembaga (Cu) yang sepenuhnya padat, konduktif termal/konduktif tinggi, dan memiliki sifat mekanik yang sangat baik. Manufaktur aditif (AM), atau pencetakan 3D, memberikan peluang yang belum pernah terjadi sebelumnya untuk memproduksi komponen Cu dengan geometri kompleks. Namun, Cu murni sangat reflektif terhadap laser inframerah, sehingga bagian Cu murni yang dicetak dengan peralatan manufaktur aditif laser yang umum digunakan cenderung memiliki porositas tinggi, sehingga mengurangi konduktivitas mekanik dan termal/listriknya. Meskipun komponen tembaga murni dengan kepadatan tinggi dapat diproduksi dengan peralatan manufaktur aditif yang dilengkapi dengan laser hijau atau berkas elektron dengan panjang gelombang pendek, kekuatan rendah yang melekat pada tembaga murni dan ketidakmampuannya untuk menahan pelunakan termal telah menghalangi penerapan komponen tembaga yang diproduksi secara aditif laser di beban mekanis yang tinggi dan suhu yang tinggi.
Untuk mengatasi permasalahan di atas, tim Prof Xingxing Zhang dari University of Queensland, Australia bekerja sama dengan Prof Christopher Hutchinson dari Monash University, Prof Julie Cairney dari University of Sydney, Prof Miao-Quan Li dari Universitas Politeknik Northwestern, Prof. Xiaoxu Huang dari Universitas Chongqing, Prof. Jesper Henri Hattel dari Universitas Sains dan Teknologi Denmark, dan Prof. Mark Easton dari RMIT University, telah bekerja sama untuk memproduksi komponen tembaga dengan kepadatan tinggi. Prof Mark Easton, RMIT University, dan tim lainnya telah berkolaborasi untuk mengusulkan strategi desain untuk pencetakan 3D tembaga berkekuatan tinggi dan konduktivitas tinggi. Kunci dari strategi desain adalah memilih partikel aditif yang dicampur secara homogen dengan bubuk tembaga murni untuk memastikan bahwa partikel tersebut meningkatkan penyerapan laser dari tembaga murni ketika laser berinteraksi dengan bubuk tersebut. Selain itu, partikel aditif didispersikan dalam matriks tembaga dengan cara larut ke dalam kolam lelehan ketika bubuk dicairkan dan diendapkan kembali selama pemadatan, sehingga memperkuat tembaga tanpa mengurangi konduktivitas termal/listriknya secara signifikan. Kriteria penyaringan untuk partikel aditif adalah sebagai berikut: (1) kelarutan padat elemen penyusun partikel dalam tembaga harus minimal untuk meminimalkan efek buruknya terhadap konduktivitas termal/listrik dan untuk memaksimalkan potensi pengendapan ulang nanopartikel pada partikel tersebut. pemadatan; (2) partikel harus memiliki titik leleh yang rendah untuk memfasilitasi peleburan mereka ke dalam kolam cair dan untuk melemahkan potensi pengerasan nanopartikel yang diendapkan kembali selama pemadatan; (3) partikel harus memiliki titik basah yang rendah dalam tembaga cair harus memiliki sudut pembasahan yang rendah untuk mencegah aglomerasi nanopartikel yang diendapkan kembali dalam tembaga cair. Berdasarkan ide desain ini, kami menemukan bahwa lantanum heksaborida (LaB6) memenuhi kriteria di atas. Dengan menambahkan sejumlah kecil nanopartikel LaB6, tembaga dengan kepadatan tinggi dan kinerja tinggi serta bagian-bagiannya yang rumit secara geometris diwujudkan melalui pembuatan aditif laser.
Karya terkait diterbitkan di jurnal internasional terkemuka Nature Communications dengan judul "Pembuatan tembaga berkekuatan tinggi dan konduktivitas tinggi dengan fusi lapisan bubuk laser". Komunikasi. Yinggang Liu (sekarang profesor di School of Aeronautics, Northwestern Polytechnical University) dan Dr. Jingqi Zhang dari University of Queensland adalah penulis pendamping pertama, sedangkan Prof. Mingxing Zhang dari University of Queensland, Dr. Ranming Niu dari University of Sydney, dan Prof. Christopher Hutchinson dari Monash University adalah rekan penulis.
Gambar.
Manufaktur aditif (AM), atau pencetakan 3D, memungkinkan fabrikasi komponen tembaga yang kompleks secara geometris dengan cepat dan memiliki beragam aplikasi dalam manajemen termal dan konduktivitas listrik. Namun, tembaga murni bersifat lunak, sedangkan reflektifitasnya yang tinggi terhadap laser inframerah biasanya menghasilkan komponen cetakan 3D dengan porositas tinggi, sehingga mengurangi kinerjanya. Meskipun manufaktur aditif menggunakan laser hijau atau berkas elektron dapat mencetak komponen tembaga murni dengan kepadatan tinggi, kekuatan rendah yang melekat pada tembaga murni pada suhu kamar dan ketidakmampuannya untuk menahan pelunakan termal membatasi penerapan komponen tembaga yang diproduksi secara aditif yang terkena beban mekanis tinggi dan tekanan tinggi. suhu. Menambahkan elemen seperti Cr, Co, Fe, dan Zr ke tembaga murni melalui paduannya dapat meningkatkan penyerapan laser dan memperkuat substrat, namun metode ini secara signifikan mengurangi konduktivitas termal/listrik tembaga karena kelarutan padatnya yang tinggi dalam tembaga. Pendekatan lain adalah dengan menambahkan partikel eksternal (Al2O3, TiB2, dll.) yang tidak dapat bercampur dengan tembaga murni untuk memperkuat tembaga sekaligus mempertahankan konduktivitas termal/listrik yang tinggi. Namun, dalam praktiknya, karena aglomerasi nanopartikel, terbukti sangat sulit memperoleh penguatan yang signifikan tanpa mengurangi keuletan dan toleransi kerusakan. Akibatnya, memadukan atau menambahkan partikel eksternal yang tidak kompatibel dapat meningkatkan kekuatan dan meningkatkan sifat penyerapan laser, namun biasanya menghasilkan penurunan yang signifikan dalam konduktivitas dan keuletan termal/listrik. Pencetakan 3D pada komponen tembaga berkekuatan tinggi dan berkonduktivitas tinggi tetap menjadi tantangan yang mendesak. .
Di sini, kami mendemonstrasikan metode pembuatan aditif laser untuk menyiapkan komponen tembaga berdensitas tinggi dan berkinerja tinggi dengan menambahkan sejumlah kecil nanopartikel lantanum heksaborida (LaB6) ke bubuk tembaga murni melalui fusi lapisan bubuk laser (L-PBF). Kunci dari metode ini adalah memasukkan partikel yang sesuai ke dalam tembaga murni yang meningkatkan penyerapan laser pada tembaga murni, diikuti dengan pelarutan dalam kumpulan lelehan dan pengendapan ulang selama pemadatan. LaB6 dipilih berdasarkan daya serap laser yang tinggi, konduktivitas listrik yang baik, titik leleh yang rendah, dan sudut pembasahan yang rendah dengan tembaga cair.LaB6 memiliki peran ganda. Pertama, ini meningkatkan penyerapan laser pada tembaga murni, sehingga menghasilkan fusi bubuk yang lebih baik. Kedua, kemampuannya untuk meleleh selama peleburan bubuk dan selanjutnya mengendap kembali sebagai nanopartikel yang terdistribusi secara difus selama pemadatan tidak hanya meningkatkan kekuatan material, namun juga mempertahankan keuletan yang lebih besar dan konduktivitas termal/listrik yang tinggi.1wt% LaB6-tembaga yang didoping menunjukkan kekuatan luluh sebesar 346,8 MPa, 3,7 kali lebih tinggi dibandingkan tembaga murni, serta keuletan patah sebesar 22,8%, 98,4%, dan konduktivitas termal/listrik yang tinggi sebesar 1,4%.1wt% LaB6-tembaga yang didoping juga merupakan kandidat yang baik untuk IACS (Skema Tembaga Murni Anil Internasional). Konduktivitas listrik IACS (International Annealed Copper Standard), konduktivitas termal 387 W/mK, dan ketahanan yang sangat baik terhadap pelunakan pada 1050 derajat, yang mendekati titik leleh tembaga murni. Selain itu, penerapan metode ini pada bagian-bagian yang rumit secara geometris juga ditunjukkan dalam penelitian ini. Tembaga doping LaB6-yang baru dikembangkan mengisi celah penting dalam pencetakan paduan 3D dan cocok untuk beban mekanis tinggi dan lingkungan bersuhu tinggi. Karena nanopartikel yang terdispersi secara seragam biasanya digunakan untuk memperkuat bahan logam, strategi desain pengendapan ulang pada peleburan dan pemadatan ini dapat diperluas ke sistem paduan lain untuk pengembangan bahan siap cetak dan berkinerja tinggi.
Gambar 1 Hasil uji struktur mikro dan reflektifitas laser dari tembaga murni dan tembaga yang didoping LaB6-yang dibuat dengan peleburan lapisan bubuk laser
Gambar 2 Analisis nanopartikel tembaga doping LaB6-yang dibuat dengan peleburan lapisan bubuk laser
Gambar 3 Karakterisasi unsur APT tembaga doping LaB6 yang dibuat dengan peleburan lapisan bubuk laser
Gambar 4 Hasil uji sifat mekanik dan konduktivitas listrik tembaga doping LaB6-yang dibuat dengan peleburan lapisan bubuk laser.
Gambar 5 Hasil uji kompresi titik tembaga yang didoping LaB6 yang dibuat dengan peleburan lapisan bubuk laser
