Tendências e problemas de pesquisa e desenvolvimento de materiais avançados de liga de cobre
O cobre e as ligas de cobre são uma classe de materiais chave com aplicações importantes. Devido à sua excelente condutividade térmica, condutividade elétrica, ductilidade, resistência à corrosão e outras propriedades, o cobre é um material necessário em certas aplicações aeroespaciais, armas e equipamentos. Nos últimos dois anos, a indústria transformadora sentiu claramente o crescimento da procura de ligas de cobre. Novos usuários estão constantemente desenvolvendo aplicações de fabricação aditiva de ligas de cobre. Os materiais também mudaram do bronze de estanho fundido, fácil de moldar, para o cobre puro e vários tipos de cobre de alta resistência e alta condutividade. De acordo com um relatório de pesquisa, o mercado global de fabricação de aditivos de cobre crescerá a uma taxa composta de crescimento anual de 51% de 2019 a 2027. Embora ainda existam muitos problemas de processos e materiais na impressão de ligas de cobre, é previsível que o cobre terá um lugar na fabricação aditiva de metal. O status da aplicação de materiais de liga de cobre no país e no exterior. Com o rápido progresso das indústrias de alta tecnologia, novos materiais estão sendo desenvolvidos na direção de desempenho ultra-alto, alta pureza e alta iteração. Foram propostas a integração, funcionalidade, miniaturização, confiabilidade, etc. de produtos relacionados. Requisitos mais elevados. Como materiais condutores de núcleo, cobre avançado e ligas de cobre são amplamente utilizados em estruturas de chumbo de circuitos integrados de grande escala na indústria de informação eletrônica, contramedidas eletrônicas, radares, tubos de microondas de alta potência para equipamentos de defesa nacional, materiais condutores para campos magnéticos de pulso alto , fios aéreos para trânsito ferroviário de alta velocidade e grandes barras guia e anéis finais de motor de tração assíncrona de modulação de frequência de energia e regulação de velocidade, eletrodos de soldagem por resistência, materiais de bateria, materiais elásticos de pilha de carga para novos veículos de energia, cristalizadores de máquinas de fundição contínua e vácuo elétrico dispositivos para a indústria metalúrgica, pontes de contato de comutação e vários componentes para fios de engenharia elétrica, etc. Atualmente, muitos fabricantes estrangeiros bem conhecidos de manufatura aditiva incluíram materiais de cobre em seus catálogos de produtos. Mais representativamente, a EOS publicou fichas técnicas para Cu puro e CuCrZr em 2020, e em 2021 lançou versões AMCM (Additive Manufacturing Customized Machine) dos dois tipos de materiais, uma subsidiária da EOS. A SLM Solutions lançou sucessivamente dados de produtos CuSn10 e CuCrZr. Em 2019, a empresa lançou produtos CuNi2SiCr que combinam resistência e condutividade elétrica e térmica. Eles podem ser usados nos campos elétrico e de moldes e se tornaram um produto de grande sucesso na fabricação aditiva de materiais de liga de cobre. Os fabricantes de materiais TLS Technik, m4p, Sandvik, Makin e outras empresas anunciaram seus próprios produtos de liga de cobre de fabricação aditiva. Atualmente, os materiais de cobre e ligas de cobre para fabricação aditiva estão concentrados em Cu puro, CuSn10, CuCrZr e CuNi2SiCr. Embora CuNiSn, CuCr, CuCrNb, CuAlFeNi e outros materiais também tenham pesquisas e aplicações relacionadas à manufatura aditiva, o grau de aplicação não é tão alto quanto as quatro primeiras categorias de produtos. 1. Comparado com ligas de cobre, a vantagem do Cu puro é sua condutividade elétrica e térmica, porque várias ligas de cobre inevitavelmente perderão condutividade elétrica e térmica após adicionar elementos ao cobre. Como o cobre puro tem uma baixa taxa de absorção no comprimento de onda convencional de 1064 nm, o chamado comprimento de onda da luz vermelha, e é difícil de obter densificação, a impressão de Cu puro sempre foi um problema. A solução atual é usar lasers de comprimento de onda curto, como o equipamento laser verde 515nm da TRUMPF, e a outra é aumentar a potência, como o equipamento AMCM da EOS equipado com laser de 1Kw para impressão em cobre puro. Não importa o tipo de equipamento utilizado para impressão, se você deseja obter peças de cobre puro com alta densidade ou alta condutividade elétrica e térmica, o pó da matéria-prima precisa manter alta pureza e ao mesmo tempo possuir características de pó que facilitam a densificação. , como distribuição e fluxo razoáveis de tamanho de partícula. Possui características de boa durabilidade e alta densidade aparente.
Em termos de preparação de pó de cobre puro, o objetivo é manter a alta pureza dos materiais e, ao mesmo tempo, a alta esfericidade. 2. CuSn10 CuSn10 é um tipo de bronze de estanho fundido que é fácil de formar. Muitos modelos ou artesanatos envolvendo materiais de cobre usam material CuSn10 para impressão.
A liga CuSn10 possui alta resistência e durabilidade. Possui excelente resistência ao desgaste e à corrosão e pode ser usada para fabricar peças resistentes ao desgaste, como lâminas e engrenagens. No entanto, sua condutividade elétrica e térmica não é alta, portanto o CuSn10 geralmente não é usado para requisitos de condutividade elétrica ou térmica. CuSn10 é um produto convencional entre os atuais materiais de liga de cobre de fabricação aditiva. 3. O motor de foguete CuCrZr é um cenário típico de aplicação de liga de cobre. Os requisitos de material para revestimentos de motor e peças relacionadas são extremamente elevados. Por um lado, a temperatura de combustão na câmara de combustão é extremamente elevada (mais de 3.000 graus). Por outro lado, gases de alta temperatura, alta pressão e alta velocidade provocam forte erosão nos materiais. A liga de CuCr é uma liga típica de cobre reforçada por precipitação. A adição do elemento Zr pode promover a precipitação da fase Cr e melhorar a distribuição das fases precipitadas. Ao mesmo tempo, o composto de cobre-zircônio formado por Zr e Cu pode desempenhar o papel de fortalecimento da precipitação. Portanto, a mecânica da liga CuCrZr possui excelente desempenho e pode ser utilizada na fabricação de peças de motores de foguetes. Nos últimos anos, as unidades aeroespaciais nacionais realizaram muitos trabalhos de pesquisa e desenvolvimento na fabricação aditiva de peças da câmara de empuxo de motores de foguetes, e o CuCrZr é o material opcional atual.
Vale ressaltar que os materiais da liga Rockets Copper para peças do motor ainda estão sendo atualizados e iterados. CuZr, CuCr, CuAgZr, CuCrNb e outros materiais têm sido aplicados em pesquisas, especialmente GRcop-42 (Cu-4Cr-2Nb em %), espera-se atualizar a câmara de combustão do motor de foguete materiais para um novo nível. 4. CuNi2SiCrSLM Solutions lançou o produto de material de liga de cobre CuNi2SiCr em 2019. Este material é uma liga endurecível tratável termicamente com alta resistência e uma combinação equilibrada de condutividade elétrica e condutividade térmica. Ao mesmo tempo, a liga inclui componentes de níquel e silício e possui alta resistência à corrosão e resistência ao desgaste. O próprio CuNi2SiCr não é um componente novo. Este material corresponde à liga C18000 do padrão americano. A SLM Solutions assumiu a liderança no uso deste material para fabricação aditiva e realizou trabalhos de identificação de materiais e verificação de parâmetros, acrescentando um membro importante à família de ligas de cobre de fabricação aditiva. . A resistência do CuNi2SiCr após o tratamento térmico é significativamente maior do que a do CuCrZr e outros materiais. Ao mesmo tempo, pode manter uma certa condutividade térmica e condutividade elétrica. Ele já pode atender a alguns requisitos de fabricação de moldes e de peças condutoras, portanto terá aplicações importantes nas áreas de moldes e elétrica. Tendências de P&D e problemas enfrentados pelos materiais avançados de liga de cobre do meu país (1) Tendências de P&D de tecnologia Nos últimos anos, o nível geral de ligas de cobre de alto desempenho e sua tecnologia de preparação fez grande progresso, e os tipos de liga de cobre de alto desempenho produtos com direitos de propriedade intelectual independentes continuaram a aumentar. , o nível instalado de processamento de material de liga de cobre está próximo do nível avançado internacional. A tendência de desenvolvimento de P&D e industrialização de materiais avançados de liga de cobre apresenta as seguintes características. (1) De requisitos de desempenho únicos a requisitos de recursos multifuncionais. Por exemplo, materiais à base de cobre com alta condutividade térmica e altas propriedades de blindagem eletromagnética devem atender à demanda por materiais condutores em campos de alta precisão, como sistemas de campo magnético forte pulsado e transmissores eletromagnéticos acelerados por partículas; linhas de contato da rede elétrica ferroviária de alta velocidade com velocidade de 380 km/h. Além de alta condutividade elétrica, também deve ter maior resistência, resistência ao desgaste e resistência à fadiga; as ligas de cobre para circuitos integrados de grande escala devem ter alta resistência e alta condutividade, resistência ao calor, resistência à flexão, fácil gravação e outras características. (2) Os materiais de processamento de cobre estão se desenvolvendo na direção de finos, finos, longos e de alta precisão. A demanda por produtos como fios ultrafinos, tiras ultrafinas, tubos de paredes finas, tubos extralongos, tiras extralongas, tubos roscados, tubos de formato especial, hastes de formato especial, tiras de formato especial, etc. continua a aumentar. Por exemplo, o quadro principal reflete o multipino e a alta densidade, a tendência de desenvolvimento de ultrafino e miniaturização. (3) Alta purificação de cobre. O teor de cobre do cobre industrial foi aumentado de 99,9% para 99,95% e depois para 99,99% ou até mais, a fim de maximizar a condutividade elétrica e térmica do material. O cobre ultrapuro, contendo 99999 9% de cobre, minimizará o impacto das impurezas na condutividade elétrica e térmica. (4) Material composto. Um único método de reforço de material tem potencial limitado, e o uso de métodos compostos para melhorar ainda mais o desempenho abrangente de materiais de cobre tornou-se um ponto importante de pesquisa. Por exemplo, adicionar partículas de segunda fase, bigodes ou fibras a ligas de cobre para fortalecer a matriz de cobre e desenvolver novos materiais compósitos multifuncionais à base de cobre é de grande importância para a teoria de projeto de ligas de cobre de alto desempenho e aplicações práticas em alta- campos de tecnologia. valor. (2) Problemas enfrentados Embora meu país seja o maior produtor de materiais de liga de cobre do mundo, ainda não é um país forte em materiais de liga de cobre. meu país ainda depende fortemente de importações de ligas de cobre de alto desempenho que são urgentemente necessárias em muitos campos de alta tecnologia, como aeroespacial, informação eletrônica, engenharia naval e equipamentos de alta tecnologia. Existem muitas empresas de produção de materiais de liga de cobre, baixa concentração industrial, fraca competitividade dos produtos e escassos lucros da indústria. , incapaz de apoiar o desenvolvimento de indústrias de alta tecnologia. As principais questões envolvidas na indústria de materiais de liga de cobre são as seguintes. (1) Existem poucas variedades e classes de materiais de liga de cobre de alto desempenho. O desempenho abrangente de algumas ligas de cobre de alto desempenho é geralmente inferior ao de produtos similares importados. Por exemplo, os graus das tiras de chumbo Cu-Ni-Si e Cu-Cr-Zr desenvolvidas e produzidas independentemente são extremamente baixos. alguns. (2) A capacidade de produção estável de produtos de liga de cobre de grande porte e de alta qualidade precisa ser melhorada urgentemente. Por exemplo, ainda são necessários avanços na estabilidade do desempenho, qualidade da superfície e produtos acabados abrangentes de tiras elásticas de liga de cobre de alta precisão. (3) O processo de processamento de ligas de cobre de alto desempenho causa grande poluição ambiental e sério desperdício de recursos; a tecnologia de preparação de processos curtos de alta eficiência ainda não está madura e a qualidade e o desempenho do produto precisam ser melhorados. (4) A falta de tecnologia de fabricação independente para alguns equipamentos de produção de ponta limita o desenvolvimento de novos produtos. Por exemplo, a maioria dos equipamentos de produção de folhas metálicas de alta precisão depende de importações. (5) Alguns materiais de liga de cobre de alta qualidade carecem de direitos de propriedade intelectual independentes e de plataformas públicas de pesquisa e desenvolvimento, e a construção de bancos de dados em termos de propriedades de materiais, tecnologia de produção, padrões e especificações fica para trás. (6) A tecnologia de preparação homogeneizada de grande porte de cobre sem oxigênio de pureza ultra-alta e teor de oxigênio ultrabaixo ainda precisa ser melhorada, e a tecnologia de preparação de corrosão de alta precisão, grande diâmetro e longa vida - o cobre branco resistente precisa ser mais rompido. Finalmente, em comparação com produtos como titânio, alumínio e ligas de alta temperatura, a fabricação aditiva de cobre e ligas de cobre ainda não está madura. A EOS introduziu um conceito semelhante ao Nível de Preparação Tecnológica (TRL) para produtos materiais desde 2019. Atualmente, dois tipos de materiais de cobre são marcados como Nível 3, que é um nível de verificação, enquanto produtos como IN718 e AlSi10Mg são geralmente de Nível {{ 86}}. Nesta fase, a fabricação aditiva mudou gradualmente da verificação de modelos para a fabricação de produtos. Os materiais de fabricação aditiva entrarão na fase de seleção ou projeto de materiais com base nas aplicações. A iteração atualizada de materiais de cobre e ligas de cobre é mais óbvia. É previsível que, com o avanço contínuo de processos e materiais, a aplicação da fabricação aditiva de materiais de cobre seja elevada a um novo nível. (Proprietário do material on-line)
