Tendințe de cercetare și dezvoltare și probleme ale materialelor avansate din aliaje de cupru
Cuprul și aliajele de cupru sunt o clasă de materiale cheie cu aplicații importante. Datorită conductibilității sale termice excelente, conductivității electrice, ductilității, rezistenței la coroziune și altor proprietăți, cuprul este un material necesar în anumite aplicații ale aerospațiale, arme și echipamente. În ultimii doi ani, industria de producție a simțit în mod clar creșterea cererii de aliaje de cupru. Noii utilizatori dezvoltă în mod constant aplicații de fabricare a aditivilor de aliaj de cupru. Materialele au trecut, de asemenea, de la bronzul de staniu turnat, ușor de format, la cupru pur și diferite tipuri de cupru de înaltă rezistență și conductivitate ridicată. Potrivit unui raport de cercetare, piața globală a producției de aditivi de cupru va crește cu o rată de creștere anuală compusă de 51% din 2019 până în 2027. Deși există încă multe probleme de proces și materiale în imprimarea aliajelor de cupru, este de previzibil că cuprul va avea un loc în fabricarea aditivă a metalelor. Starea aplicării materialelor din aliaj de cupru în țară și în străinătate. Odată cu progresul rapid al industriilor de înaltă tehnologie, noi materiale se dezvoltă în direcția performanței ultra-înalte, purității ridicate și iterației ridicate. Au fost propuse integrarea, funcționalitatea, miniaturizarea, fiabilitatea etc. a produselor conexe. Cerințe mai mari. Ca materiale conductoare de bază, cuprul și aliajele avansate de cupru sunt utilizate pe scară largă în cadrele de plumb ale circuitelor integrate la scară foarte mare din industria informațiilor electronice, contramăsuri electronice, radare, tuburi cu microunde de mare putere pentru echipamentele de apărare națională, materiale conductoare pentru câmpuri magnetice cu impulsuri mari. , fire aeriene pentru tranzitul feroviar de mare viteză și modularea frecvenței puterii mari și reglarea vitezei bare de ghidare a motorului de tracțiune asincronă și inele de capăt, electrozi de sudare cu rezistență, materiale pentru baterii, materiale elastice pentru grămadă de încărcare pentru vehicule cu energie nouă, cristalizatoare pentru mașini de turnare continuă și vid electric dispozitive pentru industria metalurgică, punți de contact comutatoare și diverse componente pentru inginerie electrică Fire, etc. În prezent, mulți producători străini de producție de aditivi au inclus materiale de cupru în cataloagele lor de produse. Mai reprezentativ, EOS a publicat fișe de date pentru Cu pur și CuCrZr în 2020, iar în 2021 a lansat versiuni AMCM (Additive Manufacturing Customized Machine) ale celor două tipuri de materiale, o subsidiară a EOS. SLM Solutions a lansat succesiv datele despre produse CuSn10 și CuCrZr. În 2019, compania a lansat produse CuNi2SiCr care combină rezistența și conductivitatea electrică și termică. Ele pot fi folosite în matrițe și câmpuri electrice și au devenit un produs de succes în fabricarea aditivă a materialelor din aliaje de cupru. Producătorii de materiale TLS Technik, m4p, Sandvik, Makin și alte companii și-au anunțat propriile produse din aliaj de cupru pentru fabricarea aditivă. În prezent, materialele din cupru și aliaje de cupru pentru fabricarea aditivă sunt concentrate în Cu pur, CuSn10, CuCrZr și CuNi2SiCr. Deși CuNiSn, CuCr, CuCrNb, CuAlFeNi și alte materiale au, de asemenea, cercetări și aplicații legate de fabricarea aditivă, gradul de aplicare nu este la fel de mare ca primele patru categorii de produse. 1. În comparație cu aliajele de cupru, avantajul Cu pur este conductivitatea sa electrică și termică, deoarece diferitele aliaje de cupru își vor pierde inevitabil conductivitatea electrică și termică după adăugarea elementelor la cupru. Deoarece cuprul pur are o rată de absorbție scăzută la lungimea de undă convențională de 1064 nm, așa-numita lungime de undă a luminii roșii și este dificil de realizat densificare, imprimarea cu pură a fost întotdeauna o problemă. Soluția actuală este utilizarea laserelor cu lungime de undă scurtă, precum echipamentul laser verde de 515nm de la TRUMPF, iar cealaltă este creșterea puterii, precum echipamentul EOS AMCM echipat cu un laser de 1Kw pentru imprimarea cu cupru pur. Indiferent ce tip de echipament este utilizat pentru imprimare, dacă doriți să obțineți piese de cupru pur cu densitate mare sau conductivitate electrică și termică ridicată, pulberea materiei prime trebuie să mențină puritatea ridicată, având și caracteristici de pulbere care facilitează realizarea densificării. , cum ar fi distribuția rezonabilă a dimensiunii particulelor și debitul. Are caracteristicile de bună durabilitate și densitate în vrac ridicată.
În ceea ce privește prepararea pulberii de cupru pur, scopul este menținerea purității ridicate a materialelor, menținând în același timp o sfericitate ridicată. 2. CuSn10 CuSn10 este un fel de bronz turnat de staniu care este ușor de format. Multe modele sau meșteșuguri care implică materiale de cupru folosesc material CuSn10 pentru imprimare.
Aliajul CuSn10 are rezistență și durabilitate ridicate. Are o rezistență excelentă la uzură și coroziune și poate fi utilizat pentru fabricarea pieselor rezistente la uzură, cum ar fi lamele și angrenajele. Cu toate acestea, conductivitatea sa electrică și termică nu este ridicată, astfel încât CuSn10 nu este, în general, utilizat pentru cerințele de conductivitate electrică sau termică. CuSn10 este un produs convențional printre materialele curente din aliaje de cupru pentru fabricarea aditivă. 3. Motorul rachetă CuCrZr este un scenariu de aplicare tipic al aliajului de cupru. Cerințele de material pentru căptușelile motorului și piesele aferente sunt extrem de ridicate. Pe de o parte, temperatura de ardere în camera de ardere este extrem de ridicată (mai mult de 3000 de grade). Pe de altă parte, temperaturile ridicate, presiunea ridicată și gazul de mare viteză au o eroziune puternică asupra materialelor. Aliajul CuCr este un aliaj tipic de cupru întărit prin precipitare. Adăugarea de element Zr poate favoriza precipitarea fazei Cr și poate îmbunătăți distribuția fazelor precipitate. În același timp, compusul cupru-zirconiu format din Zr și Cu poate juca rolul de întărire a precipitațiilor. Prin urmare, mecanica aliajului CuCrZr are o performanță excelentă și poate fi utilizată la fabricarea pieselor de motor rachetă. În ultimii ani, unitățile aerospațiale interne au desfășurat o mulțime de lucrări de cercetare și dezvoltare privind fabricarea aditivă a pieselor camerei de tracțiune a motorului rachetă, iar CuCrZr este materialul opțional curent.
Este de menționat că materialele din aliaj Rockets Copper pentru piesele de motor sunt încă în curs de actualizare și iterare. CuZr, CuCr, CuAgZr, CuCrNb și alte materiale au fost aplicate în cercetare, în special GRcop-42 (Cu{-4Cr{-2Nb la %), este de așteptat să îmbunătățească camera de ardere a motorului rachetei materiale la un nou nivel. 4. CuNi2SiCrSLM Solutions a lansat produsul cu material din aliaj de cupru CuNi2SiCr în 2019. Acest material este un aliaj călibil tratabil termic, cu rezistență ridicată și o combinație echilibrată de conductivitate electrică și conductivitate termică. În același timp, aliajul include componente de nichel și siliciu și are o rezistență ridicată la coroziune și rezistență la uzură. CuNi2SiCr în sine nu este o componentă nouă. Acest material corespunde aliajului standard american C18000. SLM Solutions a preluat conducerea utilizării acestui material pentru fabricarea aditivă și a efectuat lucrări de identificare a materialului și verificarea parametrilor, adăugând un membru important în familia de aliaje de cupru pentru fabricarea aditivă. . Rezistența CuNi2SiCr după tratamentul termic este semnificativ mai mare decât cea a CuCrZr și a altor materiale. În același timp, poate menține o anumită conductivitate termică și conductivitate electrică. Poate îndeplini deja unele cerințe de fabricație a matriței și cerințele pentru piese conductoare, așa că va avea aplicații importante în domeniul matriței și în domeniul electric. Tendințele și problemele de cercetare și dezvoltare cu care se confruntă materialele avansate din aliaj de cupru din țara mea (1) Tendințe de cercetare și dezvoltare tehnologică În ultimii ani, nivelul general al țării mele de aliaje de cupru de înaltă performanță și tehnologia de preparare a acestora a făcut progrese mari, iar tipurile de aliaje de cupru de înaltă performanță produsele cu drepturi independente de proprietate intelectuală au continuat să crească. , nivelul instalat de prelucrare a materialului din aliaj de cupru este aproape de nivelul avansat internațional. Tendința de dezvoltare a cercetării și dezvoltării și industrializarea materialelor avansate din aliaje de cupru prezintă următoarele caracteristici. (1) De la cerințe de performanță unice la cerințe de caracteristici multifuncționale. De exemplu, materialele pe bază de cupru cu conductivitate termică ridicată și proprietăți ridicate de ecranare electromagnetică ar trebui să satisfacă cererea de materiale conductoare în câmpuri de înaltă precizie, cum ar fi sistemele de câmp magnetic puternic pulsat și transmițătoarele electromagnetice accelerate cu particule; linii de contact cu rețeaua feroviară de mare viteză cu o viteză de 380 km/h Pe lângă conductivitate electrică ridicată, ar trebui să aibă și o rezistență mai mare, rezistență la uzură și rezistență la oboseală; Aliajele de cupru pentru circuitele integrate la scară foarte mare trebuie să aibă rezistență ridicată și conductivitate ridicată, rezistență la căldură, rezistență la îndoire, gravare ușoară și alte caracteristici. (2) Materialele de prelucrare a cuprului se dezvoltă în direcția de precizie subțire, subțire, lungă și înaltă. Cererea de produse precum fire ultrafine, benzi ultra-subțiri, tuburi cu pereți subțiri, tuburi extra-lungi, benzi extra-lungi, țevi filetate, tuburi cu forme speciale, tije cu forme speciale, benzi cu forme speciale etc. . continuă să crească. De exemplu, cadrul de plumb reflectă multi-pin și de înaltă densitate, tendința de dezvoltare a ultra-subțire și miniaturizare. (3) Purificarea ridicată a cuprului. Conținutul de cupru al cuprului industrial a fost crescut de la 99,9% la 99,95%, apoi la 99,99% sau chiar mai mult, pentru a maximiza conductivitatea electrică și termică a materialului. Cuprul ultrapur, care conține 99,999 9% cupru, va minimiza impactul impurităților asupra conductivității electrice și termice. (4) Material compozit. O singură metodă de întărire a materialului are un potențial limitat, iar utilizarea metodelor compozite pentru a îmbunătăți în continuare performanța cuprinzătoare a materialelor de cupru a devenit un punct fierbinte de cercetare. De exemplu, adăugarea de particule de faza a doua, mustăți sau fibre la aliajele de cupru pentru a întări în mod compozit matricea de cupru și pentru a dezvolta noi materiale compozite multifuncționale pe bază de cupru este de mare importanță pentru teoria de proiectare a aliajelor de cupru de înaltă performanță și pentru aplicațiile practice în domenii tehnologice. valoare. (2) Probleme cu care se confruntă Deși țara mea este cel mai mare producător de materiale din aliaj de cupru din lume, încă nu este o țară puternică în materiale din aliaj de cupru. țara mea se bazează încă mult pe importurile de aliaje de cupru de înaltă performanță, care sunt necesare urgent în multe domenii de înaltă tehnologie, cum ar fi aerospațial, informații electronice, inginerie marină și echipamente de ultimă generație. Există multe companii de producție de materiale din aliaj de cupru, concentrație industrială scăzută, competitivitate slabă a produselor și profituri slabe din industrie. , incapabil să susțină dezvoltarea industriilor de înaltă tehnologie. Principalele probleme implicate în industria materialelor din aliaje de cupru sunt următoarele. (1) Există puține varietăți și grade de materiale de aliaj de cupru de înaltă performanță. Performanța globală a unor aliaje de cupru de înaltă performanță este în general mai mică decât cea a produselor similare importate. De exemplu, gradele de benzi de cadru de plumb Cu-Ni-Si și Cu-Cr-Zr dezvoltate și produse în mod independent sunt extrem de scăzute. puţini. (2) Capacitatea stabilă de producție a produselor din aliaje de cupru de dimensiuni mari și de înaltă calitate trebuie îmbunătățită urgent. De exemplu, sunt încă necesare progrese în stabilitatea performanței, calitatea suprafeței și produse finite cuprinzătoare ale produselor din bandă de aliaj elastic de cupru de înaltă precizie. (3) Procesul de prelucrare a aliajelor de cupru de înaltă performanță provoacă o mare poluare a mediului și o risipă gravă de resurse; tehnologia de înaltă eficiență de pregătire a proceselor scurte nu este încă matură, iar calitatea și performanța produsului trebuie îmbunătățite. (4) Lipsa unei tehnologii independente de fabricație pentru unele echipamente de producție de ultimă generație limitează dezvoltarea de noi produse. De exemplu, majoritatea echipamentelor de producție de folie de înaltă precizie se bazează pe importuri. (5) Unele materiale din aliaje de cupru de ultimă generație nu au drepturi independente de proprietate intelectuală și platforme publice de cercetare și dezvoltare, iar construcția de baze de date în ceea ce privește proprietățile materialelor, tehnologia de producție, standardele și specificațiile rămâne în urmă. (6) Tehnologia de preparare omogenizată de dimensiuni mari a cuprului fără oxigen de puritate ultra-înaltă, cu conținut de oxigen ultra-scăzut trebuie încă îmbunătățită, iar tehnologia de preparare a coroziunii de înaltă precizie, diametru mare și durată lungă de viață - cuprul alb rezistent trebuie să fie spart în continuare. În cele din urmă, în comparație cu produse precum titanul, aluminiul și aliajele la temperatură înaltă, fabricarea aditivă a cuprului și aliajelor de cupru nu este încă matură. EOS a introdus un concept similar nivelului de pregătire tehnologică (TRL) pentru produsele materiale din 2019. În prezent, două tipuri de materiale de cupru sunt marcate ca Nivel 3, care este un nivel de verificare, în timp ce produse precum IN718 și AlSi10Mg au, în general, Nivelul {{ 86}}. În această etapă, fabricarea aditivă a trecut treptat de la verificarea modelului la fabricarea produsului. Materialele de fabricație aditivă vor intra în etapa de selectare sau proiectare a materialelor pe baza aplicațiilor. Iterația actualizată a materialelor din cupru și aliaje de cupru este mai evidentă. Este de previzibil ca, odată cu progresul continuu al proceselor și materialelor, aplicarea de fabricație aditivă a materialelor de cupru va fi ridicată la un nou nivel. (Proprietarul materialului online)
