Forsknings- og utviklingstrender og problemer med avanserte kobberlegeringsmaterialer
Kobber og kobberlegeringer er en klasse nøkkelmaterialer med viktige bruksområder. På grunn av sin utmerkede termiske ledningsevne, elektriske ledningsevne, duktilitet, korrosjonsmotstand og andre egenskaper, er kobber et nødvendig materiale i visse bruksområder for romfart, våpen og utstyr. De siste to årene har produksjonsindustrien tydelig merket veksten i etterspørselen etter kobberlegeringer. Nye brukere utvikler stadig applikasjoner for produksjon av kobberlegeringer. Materialene har også skiftet fra tidlig lettformbar støpt tinnbronse til rent kobber og ulike typer kobber med høy styrke og høy ledningsevne. I følge en forskningsrapport vil det globale produksjonsmarkedet for kobberadditiv vokse med en sammensatt årlig vekstrate på 51 % fra 2019 til 2027. Selv om det fortsatt er mange prosess- og materialproblemer i kobberlegeringstrykk, er det forutsigbart at kobber vil ha en plass i metalladditivproduksjon. Søknadsstatus for kobberlegeringsmaterialer hjemme og i utlandet. Med den raske fremgangen til høyteknologiske industrier utvikler nye materialer seg i retning av ultrahøy ytelse, høy renhet og høy iterasjon. Integrasjon, funksjonalitet, miniatyrisering, pålitelighet, etc. av relaterte produkter har blitt foreslått. Høyere krav. Som kjerneledermaterialer er avanserte kobber og kobberlegeringer mye brukt i blyrammer av integrerte kretsløp i meget stor skala i den elektroniske informasjonsindustrien, elektroniske mottiltak, radarer, høyeffekts mikrobølgerør for nasjonalt forsvarsutstyr, ledermaterialer for høypulsmagnetiske felt. , luftledninger for høyhastighets jernbanetransport, og stor kraftfrekvensmodulasjon og hastighetsregulering asynkron trekkmotor føringsstenger og enderinger, motstandssveiseelektroder, batterimaterialer, elastiske ladematerialer for nye energikjøretøyer, krystallisatorer for kontinuerlig støpemaskiner og elektrisk vakuum enheter for metallurgisk industri, bryterkontaktbroer og ulike komponenter for elektroteknikk Ledninger, etc. For tiden har mange kjente utenlandske additivprodusenter inkludert kobbermaterialer i sine produktkataloger. Mer representativt publiserte EOS datablad for ren Cu og CuCrZr i 2020, og i 2021 lanserte AMCM (Additive Manufacturing Customized Machine) versjoner av de to materialene, et datterselskap av EOS. SLM Solutions har suksessivt lansert CuSn10 og CuCrZr produktdata. I 2019 lanserte selskapet CuNi2SiCr-produkter som kombinerer styrke og elektrisk og termisk ledningsevne. De kan brukes i støpeform og elektriske felt og har blitt et blockbuster-produkt i additiv produksjon av kobberlegeringsmaterialer. Materialprodusentene TLS Technik, m4p, Sandvik, Makin og andre selskaper har annonsert sine egne additive produksjonsprodukter av kobberlegering. For tiden er kobber og kobberlegeringsmaterialer for additiv produksjon konsentrert i ren Cu, CuSn10, CuCrZr og CuNi2SiCr. Selv om CuNiSn, CuCr, CuCrNb, CuAlFeNi og andre materialer også har relatert additiv produksjonsforskning og -applikasjoner, er ikke bruksgraden like høy som de fire første produktkategoriene. 1. Sammenlignet med kobberlegeringer er fordelen med ren Cu dens elektriske og termiske ledningsevne, fordi forskjellige kobberlegeringer uunngåelig vil miste elektrisk og termisk ledningsevne etter å ha tilsatt elementer til kobber. Siden rent kobber har en lav absorpsjonshastighet ved den konvensjonelle 1064nm bølgelengden, den såkalte røde lysbølgelengden, og er vanskelig å oppnå fortetting, har ren Cu-trykk alltid vært et problem. Den nåværende løsningen er å bruke kortbølgelengdelasere, som TRUMPFs 515nm grønne laserutstyr, og den andre er å øke effekten, som EOS sitt AMCM-utstyr utstyrt med en 1Kw laser for ren kobberutskrift. Uansett hvilken type utstyr som brukes til utskrift, hvis du ønsker å oppnå rene kobberdeler med høy tetthet eller høy elektrisk og termisk ledningsevne, må råstoffpulveret opprettholde høy renhet samtidig som det har pulveregenskaper som gjør det lettere å oppnå fortetting , slik som rimelig partikkelstørrelsesfordeling og flyt. Den har egenskapene til god holdbarhet og høy bulkdensitet.
Når det gjelder klargjøring av rent kobberpulver, er målet å opprettholde høy renhet av materialer og samtidig opprettholde høy sfærisitet. 2. CuSn10 CuSn10 er en slags støpt tinnbronse som er lett å forme. Mange modeller eller håndverk som involverer kobbermaterialer bruker CuSn10-materiale til utskrift.
CuSn10-legering har høy styrke og holdbarhet Den har utmerket slitasje- og korrosjonsbestandighet og kan brukes til å produsere slitasjebestandige deler som blader og tannhjul. Imidlertid er dens elektriske og termiske ledningsevne ikke høy, så CuSn10 brukes vanligvis ikke til krav til elektrisk eller termisk ledningsevne. CuSn10 er et konvensjonelt produkt blant nåværende kobberlegeringsmaterialer for additiv produksjon. 3. CuCrZr rakettmotor er et typisk bruksscenario for kobberlegering. Materialkravene til motorforinger og tilhørende deler er ekstremt høye. På den ene siden er forbrenningstemperaturen i brennkammeret ekstremt høy (mer enn 3000 grader). På den annen side har høy temperatur, høyt trykk og høyhastighetsgass sterk erosjon på materialene. CuCr-legering er en typisk nedbørsforsterket kobberlegering. Tilsetning av Zr-element kan fremme utfellingen av Cr-fasen og forbedre fordelingen av utfelte faser. Samtidig kan kobber-zirkoniumforbindelsen dannet av Zr og Cu spille rollen som nedbørstyrking. Derfor har mekanikken til CuCrZr-legering Den utmerket ytelse og kan brukes til produksjon av rakettmotordeler. De siste årene har innenlandske romfartsenheter utført mye forskning og utviklingsarbeid på additiv produksjon av rakettmotordeler, og CuCrZr er det nåværende valgfrie materialet.
Det er verdt å nevne at Rockets Copper-legeringsmaterialene for motordeler fortsatt blir oppdatert og iterert. CuZr, CuCr, CuAgZr, CuCrNb og andre materialer har blitt brukt i forskning, spesielt GRcop-42 (Cu-4Cr-2Nb ved %), det forventes å oppgradere rakettmotorens forbrenningskammer materialer til et nytt nivå. 4. CuNi2SiCrSLM Solutions lanserte CuNi2SiCr kobberlegeringsmaterialeprodukt i 2019. Dette materialet er en varmebehandlebar herdbar legering med høy styrke og en balansert kombinasjon av elektrisk ledningsevne og termisk ledningsevne. Samtidig inkluderer legeringen nikkel- og silisiumkomponenter og har høy korrosjonsbestandighet og slitestyrke. CuNi2SiCr i seg selv er ikke en ny komponent. Dette materialet tilsvarer den amerikanske standarden C18000-legeringen. SLM Solutions tok ledelsen i bruken av dette materialet til additiv produksjon og utførte materialidentifikasjons- og parameterverifiseringsarbeid, og la til et viktig medlem til kobberlegeringsfamilien for additiv produksjon. . Styrken til CuNi2SiCr etter varmebehandling er betydelig høyere enn styrken til CuCrZr og andre materialer. Samtidig kan den opprettholde en viss termisk ledningsevne og elektrisk ledningsevne. Den kan allerede møte noen formproduksjonskrav og krav til ledende deler, så den vil ha viktige bruksområder innen form og elektriske felt. FoU-trender og problemer som mitt lands avanserte kobberlegeringsmaterialer står overfor (1) Teknologi FoU-trender De siste årene har mitt lands generelle nivå av høyytelses kobberlegeringer og deres forberedelsesteknologi gjort store fremskritt, og typene høyytelses kobberlegeringer produkter med uavhengige immaterielle rettigheter har fortsatt å øke. , det installerte nivået av kobberlegeringsmaterialebehandling er nær det internasjonale avanserte nivået. Utviklingstrenden for FoU og industrialisering av avanserte kobberlegeringsmaterialer presenterer følgende egenskaper. (1) Fra enkeltytelseskrav til krav til multifunksjonelle funksjoner. For eksempel bør kobberbaserte materialer med høy termisk ledningsevne og høye elektromagnetiske skjermingsegenskaper møte etterspørselen etter ledermaterialer i høypresisjonsfelt som pulserende sterke magnetiske feltsystemer og partikkelakselererte elektromagnetiske sendere; høyhastighets jernbane kraftnett kontaktlinjer med en hastighet på 380 km/t I tillegg til høy elektrisk ledningsevne, bør den også ha høyere styrke, slitestyrke og utmattelsesmotstand; kobberlegeringer for integrerte kretser i veldig stor skala må ha høy styrke og høy ledningsevne, varmebestandighet, bøyemotstand, enkel etsing og andre egenskaper. (2) Kobberbehandlingsmaterialer utvikler seg i retning av tynn, tynn, lang og høy presisjon. Etterspørselen etter produkter som ultrafine ledninger, ultratynne strimler, tynnveggede rør, ekstra lange rør, ekstra lange strimler, gjengede rør, spesialformede rør, spesialformede stenger, spesialformede strimler, etc. fortsetter å øke. For eksempel gjenspeiler blyrammen multi-pin og high-density , utviklingstrenden med ultratynn og miniatyrisering. (3) Høy rensing av kobber. Kobberinnholdet i industrielt kobber er økt fra 99,9 % til 99,95 %, og deretter til 99,99 % eller enda høyere, for å maksimere den elektriske og termiske ledningsevnen til materialet. Ultrarent kobber, som inneholder 99,999 9 % kobber, vil minimere virkningen av urenheter på elektrisk og termisk ledningsevne. (4) Materiale kompositt. En enkelt materialforsterkningsmetode har begrenset potensiale, og bruken av komposittmetoder for ytterligere å forbedre den omfattende ytelsen til kobbermaterialer har blitt et forskningshotspot. Tilsetning av andrefasepartikler, værhår eller fibre til kobberlegeringer for å sammensatt styrke kobbermatrisen og utvikle nye multifunksjonelle kobberbaserte komposittmaterialer er av stor betydning for designteorien om høyytelses kobberlegeringer og praktiske anvendelser i høy- tekniske felt. verdi. (2) Problemer som står overfor Selv om landet mitt er den største produsenten av kobberlegeringsmaterialer i verden, er det fortsatt ikke et sterkt land innen kobberlegeringsmaterialer. landet mitt er fortsatt sterkt avhengig av import for høyytelses kobberlegeringer som er et presserende behov for mange høyteknologiske felt som romfart, elektronisk informasjon, marineteknikk og avansert utstyr. Det er mange produksjonsbedrifter for kobberlegeringer, lav industriell konsentrasjon, svak produktkonkurranseevne og magre industrifortjeneste. , ute av stand til å støtte utviklingen av høyteknologiske industrier. Hovedproblemene involvert i kobberlegeringsmaterialindustrien er som følger. (1) Det er få varianter og kvaliteter av kobberlegeringsmaterialer med høy ytelse. Den omfattende ytelsen til noen høyytelses kobberlegeringer er generelt lavere enn tilsvarende importerte produkter. For eksempel er karakterene av Cu-Ni-Si og Cu-Cr-Zr blyrammestrimler uavhengig utviklet og produsert ekstremt lave. få. (2) Den stabile produksjonskapasiteten til store og høykvalitets kobberlegeringsprodukter må forbedres snarest. For eksempel er det fortsatt behov for gjennombrudd i ytelsesstabilitet, overflatekvalitet og omfattende ferdige produkter av høypresisjonsprodukter av elastisk kobberlegering. (3) Behandlingsprosessen av høyytelses kobberlegeringer forårsaker stor miljøforurensning og alvorlig sløsing med ressurser; Den høyeffektive, korte prosessfremstillingsteknologien er ennå ikke moden, og produktkvalitet og ytelse må forbedres. (4) Mangelen på uavhengig produksjonsteknologi for noe avansert produksjonsutstyr begrenser utviklingen av nye produkter. For eksempel er det meste av høypresisjons folieproduksjonsutstyr avhengig av import. (5) Noen high-end kobberlegeringsmaterialer mangler uavhengige immaterielle rettigheter og offentlige forsknings- og utviklingsplattformer, og konstruksjonen av databaser når det gjelder materialegenskaper, produksjonsteknologi, standarder og spesifikasjoner henger etter. (6) Den homogeniserte tilberedningsteknologien i stor størrelse med oksygenfritt kobber med ultrahøy renhet, ultralavt oksygeninnhold må fortsatt forbedres ytterligere, og tilberedningsteknologien for korrosjon med høy presisjon, stor diameter og lang levetid. motstandsdyktig hvitt kobber må brytes ytterligere gjennom. Til slutt, sammenlignet med produkter som titan, aluminium og høytemperaturlegeringer, er additiv produksjon av kobber og kobberlegeringer ennå ikke moden. EOS har introdusert et konsept som ligner på Technology Readiness Level (TRL) for materialprodukter siden 2019. For tiden er to typer kobbermaterialer merket som Level 3, som er et verifikasjonsnivå, mens produkter som IN718 og AlSi10Mg generelt er Level {{ 86}}. På dette stadiet har additiv produksjon gradvis skiftet fra modellverifisering til produktproduksjon. Additive produksjonsmaterialer vil gå inn i stadiet med å velge eller designe materialer basert på applikasjoner. Den oppdaterte iterasjonen av kobber og kobberlegeringsmaterialer er mer åpenbar. Det er forutsigbart at med den kontinuerlige utviklingen av prosesser og materialer, vil bruken av additiv produksjon av kobbermaterialer bli hevet til et nytt nivå. (Materialeier på nett)
