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一种兼顾强度与导电性的SLM 3D打印铜合金材料CuNi2SiCr

时间:2019-11-07 09:58 来源:3D科学谷 作者:中国3D打印网 阅读:
极光尔沃

      纯铜及铜合金由于极好的导电、导热、耐腐蚀性及韧性等特点,被广泛应用于电力、散热、管道、装饰等领域,有的铜合金材料因具有良好的导电、导热性和较高强度,被广泛应用于制造航空、航天发动机燃烧室部件。但是随着应用端对于复杂结构零部件的需求增多,传统加工工艺已逐渐无法满足需求。

    选区激光熔化金属3D打印技术具有可成形复杂结构零部件,材料利用率高,无需模具等优点,该技术在制备复杂结构的铜合金热交换器、尾喷管等零部件方面具有巨大的应用潜力。但由于铜的导热性和反射性极佳,铜金属在激光熔化的过程中,吸收率低,激光难以持续熔化铜金属粉末,从而导致成形效率低,冶金质量难以控制等问题。

       不过,铜基合金3D打印材料与新型3D打印激光器正在推动着铜金属3D打印技术的发展。近日,金属3D打印企业SLM Solutions 就验证通过了一种用于选区激光熔化3D打印的铜合金材料-CuNi2SiCr ,并确立了这款材料的理想打印参数。

铜基合金的3D打印

铜基合金的3D打印

block 通过热处理进一步提高强度与电导率

     铜合金CuNi2SiCr 材料能够与SLM Solutions的所有激光熔化3D打印系统兼容,是一种可热硬化的合金,具有高刚度以及电导率和导热率的平衡组合的特征。该合金中包括镍和硅成分,具有很高的耐腐蚀性和耐磨性。

SLM Solutions

来源:SLM Solutions

     SLM Solutions对CuNi2SiCr 铜合金材料进行了鉴定与参数验证,并确立这款材料的理想打印参数。在测试这些参数时,铜合金突出的主要问题是对氧气的敏感性,为了解决这个问题,SLM Solutions建议在使用该材料时,其系统中的氧气最大含量为500 ppm。

      3D打印铜合金材料导电性通常低于纯铜(IACS值为100%),SLM Solutions的CuNi2SiCr材料在经过热处理后,IACS值由打印完成时的14%,提升至40%,导电性虽然低于纯铜,但仍适用于部分导电应用。

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数据来源:SLM Solutions

     根据SLM Solutions ,铜合金材料的电导率会随着合金元素数量的增加而降低,但其他性能(例如强度)可以得到改善,CuNi2SiCr 材料的强度优于纯铜。通过实施热处理工艺能够提高CuNi2SiCr 3D打印部件的性能,例如通过沉淀强化使零件具有更高的强度和电导率。

     CuNi2SiCr 铜合金3D打印材料适合应用于模具制造、电气工程的导电触点、焊接喷嘴、阀等领域。CuNi2SiCr 材料的强度、电阻和导电性能使其非常适合于制造在机械、热和摩擦应力环境中的导电性零件。

       相对于传统制造工艺,CuNi2SiCr 材料与金属3D打印技术在实现设计自由度方面的优势相结合,能够解锁更多传统工艺无法实现的新应用,包括设计和制造具有复杂内部几何形状和拓扑优化的铜合金零部件,最终得到轻量化的,更具成本效益的零部件。

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      快速发展的金属粉末材料是金属3D打印技术应用发展的重要驱动力。从打印材料来看,钛合金材料的价格有望大幅降低,新型不锈钢合金的出现,高强度与低价格铝合金材料的出现,铜合金粉末床激光熔化技术与应用的发展,将为增材制造领域迎来钛合金、铝合金、铜合金以及复合材料制造的新时代。

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《3D打印发展趋势及中国市场的机遇与挑战》

     除了CuNi2SiCr 铜合金粉末材料,已投入应用的典型3D打印铜合金粉末材料还包括NASA(美国国家航空航天局)开发的高强度,高导电率的铜基合金GRCop-42, GKN 公司开发的CuCrZr、CuNi3Si材料,以及Heraeus 公司开发的CuSn10和CuSn8等。在我国增材制造企业中,西安铂力特已在铜金属激光成形领域取得了进展,研制出针对难熔金属和高导热、高反射金属的3D打印工艺,实现了复杂流道的铜材料制造工艺,成功制备出3D打印铜合金尾喷管;长沙新材料产业研究院有限公司等材料企业进行了CuCrZr铜合金3D打印粉末的研发。

       铜金属3D打印激光器的发展也促进了纯铜和铜合金的3D打印应用。根据3D科学谷的市场观察,2018 年岛津公司拟(日本)实现了其 BLUE IMPACT 蓝光冲击二极管激光器的商业化,这种激光器可以在高亮度下产生 100 瓦的功率,岛津 450 纳米蓝色二极管激光器的一个关键应用是铜材料的 3D 打印。铜对蓝色激光的吸收率很高,背反射的减少可以使加工过程变快,这对传统的红外激光器是一个严峻的挑战。新研发的 3D 打印机可以用纯铜粉高效打印物体。此外,德国Fraunhofer “SLM绿色”项目所推动了绿色激光器的发展,该激光器与1μm波长的波长相比更短,波长在515nm,旨在解决铜对激光的高反射问题。

(责任编辑:中国3D打印网)

weixin
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