レーザー積層造形法による高強度・高伝導銅の設計戦略

出典: 材料科学と工学

高い熱伝導性/電気伝導性と優れた機械的特性を備えた高密度銅 (Cu) 部品を製造する能力は、熱管理および電気伝導性のアプリケーションにおいて非常に重要です。 3D プリンティングとも呼ばれる付加製造 (AM) は、複雑な形状の銅部品を製造する前例のない機会を提供します。しかし、純銅は赤外線レーザーに対する反射率が高いため、一般的に使用されているレーザー積層造形装置を使用して印刷された純銅部品は多孔性が高くなり、機械的特性や熱伝導性/電気伝導性が低下する傾向があります。高密度の純銅部品は、短波長の緑色レーザーまたは電子ビームを備えた積層造形装置を使用して製造できますが、純銅は本質的に強度が低く、熱軟化に耐えられないため、高い機械的負荷と高温条件下では、レーザー積層造形された銅部品の適用が困難です。

▲論文リンク：https://www.nature.com/articles/s41467-024-45732-y

上記の問題を解決するために、オーストラリアのクイーンズランド大学の張明星教授のチームは、モナシュ大学のクリストファー・ハッチンソン教授、シドニー大学のジュリー・ケアニー教授、ノースウェスタン工科大学の李妙全教授、重慶大学の黄暁旭教授、デンマーク工科大学のイェスパー・ヘンリ・ハッテル教授、ロイヤルメルボルン工科大学のマーク・イーストン教授と共同で、高強度で高伝導性の銅を3Dプリントするための設計戦略を提案しました。設計戦略の鍵は、レーザーが粉末と相互作用するときに純銅のレーザー吸収率を向上させるために、純銅粉末と均一に混合される添加粒子を選択することです。さらに、添加粒子は粉末が溶融したときに溶融池に溶解し、凝固中に再沈殿して銅マトリックス内に分散するため、熱伝導性や電気伝導性を大幅に低下させることなく銅を強化します。添加粒子の選別基準は以下のとおりです。(1) 粒子の構成元素の銅への固溶度は、熱伝導性/電気伝導性への悪影響を低減し、凝固中のナノ粒子の再沈殿を最大化するために極めて小さくなければなりません。(2) 粒子は溶融池での溶解を促進し、凝固中の再沈殿ナノ粒子の粗大化の可能性を弱めるために、低い融点を持つ必要があります。(3) 再沈殿ナノ粒子が液体銅内で凝集するのを防ぐために、粒子は液体銅内で低い濡れ角を持つ必要があります。この設計アイデアに基づいて、研究チームは六ホウ化ランタン (LaB6) が上記の基準を満たしていることを発見しました。微量のLaB6ナノ粒子を添加することで、高密度で高性能な銅やその複雑な形状の部品のレーザー積層造形を実現します。

関連研究は、「レーザー粉末床溶融結合法による高強度・高伝導性銅の製造」というタイトルで、世界トップクラスの学術誌「ネイチャー・コミュニケーションズ」に掲載されました。

背景 3D プリンティングとも呼ばれる積層造形 (AM) は、幾何学的に複雑な銅部品を迅速に製造することができ、熱管理や電気伝導性の分野で幅広い応用が期待されています。しかし、純銅は柔らかく、赤外線レーザーに対する反射率が高いため、3D プリントされた部品の多孔性が高くなり、性能が低下します。緑色レーザーや電子ビームを使用した積層造形法では高密度の純銅部品を印刷できますが、純銅は室温では本質的に強度が低く、熱軟化に耐えられないため、高い機械的負荷と高温の条件下では積層造形された銅部品の適用が制限されます。純銅に Cr、Co、Fe、Zr などの元素を合金化して加えると、レーザー吸収性が向上し、マトリックスが強化されますが、銅に対するこれらの元素の固溶度が高いため、この方法では銅の熱伝導率/電気伝導率が大幅に低下します。もう 1 つのアプローチは、純銅と混ざらない異物粒子 (Al2O3、TiB2 など) を追加して、高い熱伝導性/電気伝導性を維持しながら銅を強化することです。しかし、実際には、ナノ粒子の凝集により、延性と損傷許容性を損なうことなく大幅な強化を達成することは極めて困難であることが判明しています。したがって、合金化または不適合な異物粒子の添加により強度が増し、レーザー吸収特性が改善されますが、通常は熱伝導性/電気伝導性および延性が大幅に低下します。高強度かつ高伝導性の銅部品の 3D プリントは、依然として緊急に解決する必要がある困難な問題です。

主な方法<br /> ここで研究チームは、レーザー粉末床溶融結合法（L-PBF）により純銅粉末に少量の六ホウ化ランタン（LaB6）ナノ粒子を添加し、高密度で高性能な銅部品を製造するレーザー付加製造法を実証した。この方法の鍵は、純銅に適切な粒子を導入し、純銅のレーザー吸収率を高め、溶融池で溶解して凝固中に再沈殿させることです。 LaB6 は、レーザー吸収率が高く、電気伝導性が良好で、融点が低く、液体銅との濡れ角が低いという理由で選択されました。

図1 レーザー粉末床溶融法で作製した純銅とLaB6ドープ銅の微細構造とレーザー反射率試験結果
LaB6には2つの役割があります。まず、純銅のレーザー吸収率が向上し、粉末の融合が向上します。第二に、粉末溶融プロセス中に溶解し、その後凝固プロセス中に分散したナノ粒子に再沈殿することができるため、材料の強度が向上するだけでなく、より高い延性と高い熱/電気伝導性も維持されます。 1wt% LaB6 ドープ銅は、降伏強度が 346.8 MPa で、純銅の 3.7 倍です。また、破断伸びは 22.8%、電気伝導率は 98.4% IACS (国際焼鈍純銅規格)、熱伝導率は 387 W/m·K で、純銅の融点に近い 1050°C での軟化に対する耐性も優れています。さらに、この研究では、この方法が幾何学的に複雑な部品にも適用可能であることも実証されています。

図 2 レーザー粉末床溶融結合法で作製された LaB6 ドープ銅ナノ粒子の分析新しく開発された LaB6 ドープ銅は、合金 3D 印刷における重要なギャップを埋め、高い機械的負荷と高温環境に適しています。均一に分散したナノ粒子は金属材料の強化に一般的に使用されているため、溶融および凝固中の再沈殿に関するこの設計戦略を他の合金系に拡張して、3D プリントで使用できる高性能材料を開発することができます。

図3 レーザー粉末床溶融法で作製したLaB6ドープ銅のAPT元素特性図4 レーザー粉末床溶融法で作製したLaB6ドープ銅の機械的特性と導電性試験結果
図5 レーザー粉末床溶融法で作製したLaB6ドープ銅格子の圧縮性能試験結果
研究チーム<br /> 共同筆頭著者: Liu Yingang 博士 (現在、ノースウェスタン工科大学航空学部教授) と Zhang Jingqi 博士 (ともにクイーンズランド大学)。共同責任著者: Zhang Mingxing 教授 (クイーンズランド大学)、Niu Ranming 博士 (シドニー大学)、Christopher Hutchinson 教授 (モナシュ大学)。

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