Kehittyneiden kupariseosmateriaalien tutkimus- ja kehitystrendit ja -ongelmat
Kupari ja kupariseokset ovat tärkeitä materiaaleja, joilla on tärkeitä käyttökohteita. Erinomaisen lämmönjohtavuutensa, sähkönjohtavuutensa, taipuisuutensa, korroosionkestävyytensä ja muiden ominaisuuksiensa ansiosta kupari on välttämätön materiaali tietyissä ilmailu-, ase- ja varustesovelluksissa. Tehdasteollisuus on viimeisen kahden vuoden aikana tuntenut selvästi kupariseosten kysynnän kasvun. Uudet käyttäjät kehittävät jatkuvasti kuparilejeeringin lisäaineiden valmistussovelluksia. Materiaalit ovat myös siirtyneet varhaisesta helposti muovattavasta tinapronssista puhtaaseen kupariin ja erilaisiin lujaan ja johtaviin kupareihin. Tutkimusraportin mukaan kuparin lisäaineiden valmistuksen globaalit markkinat kasvavat 51 %:n vuosikasvulla vuosina 2019–2027. Vaikka kupariseospainatuksessa on edelleen monia prosessi- ja materiaaliongelmia, on ennakoitavissa, että kuparilla tulee olemaan paikka metallilisäaineiden valmistuksessa. Kupariseosmateriaalien sovellustila kotimaassa ja ulkomailla. Korkean teknologian teollisuuden nopean kehityksen myötä uudet materiaalit kehittyvät erittäin korkean suorituskyvyn, korkean puhtauden ja korkean iteroinnin suuntaan. Liitännäisten tuotteiden integrointia, toimivuutta, pienentämistä, luotettavuutta jne. on ehdotettu. Korkeammat vaatimukset. Sydänjohdinmateriaaleina kehittyneitä kuparia ja kupariseoksia käytetään laajalti erittäin suuren mittakaavan integroitujen piirien lyijykehyksissä elektroniikkatietoteollisuudessa, elektronisissa vastatoimissa, tutoissa, suuritehoisissa mikroaaltoputkissa maanpuolustustarvikkeissa, johdinmateriaaleissa korkean pulssin magneettikentissä. , yläjohdot nopeaan rautatieliikenteeseen ja suuret tehon taajuusmodulaatio- ja nopeudensäätö asynkroniset vetomoottorin ohjauslevyt ja päätyrenkaat, vastushitsauselektrodit, akkumateriaalit, latauspaalujen elastiset materiaalit uusiin energia-ajoneuvoihin, jatkuvavalukonekiteyttimet ja sähköinen tyhjiö metallurgisen teollisuuden laitteet, kytkinkoskettimet ja erilaiset sähkötekniikan komponentit Johdot jne. Tällä hetkellä monet tunnetut ulkomaiset lisäainevalmistajat ovat sisällyttäneet kuparimateriaaleja tuoteluetteloihinsa. Edustavammin EOS julkaisi tietolomakkeet puhtaasta Cu:sta ja CuCrZr:stä vuonna 2020, ja vuonna 2021 julkaisi AMCM (Additive Manufacturing Customized Machine) -versiot näistä kahdesta materiaalityypistä, EOS:n tytäryhtiö. SLM Solutions on julkaissut peräkkäin CuSn10- ja CuCrZr-tuotetiedot. Vuonna 2019 yhtiö toi markkinoille CuNi2SiCr-tuotteet, joissa yhdistyvät lujuus sekä sähkö- ja lämmönjohtavuus. Niitä voidaan käyttää muotti- ja sähkökentillä, ja niistä on tullut huipputuote kupariseosmateriaalien lisäainevalmistuksessa. Materiaalivalmistajat TLS Technik, m4p, Sandvik, Makin ja muut yritykset ovat julkistaneet omia lisäaineita valmistavansa kupariseostuotteita. Tällä hetkellä kupari- ja kupariseosmateriaalit lisäainevalmistuksessa on tiivistetty puhtaaseen Cu:iin, CuSn10:een, CuCrZr:iin ja CuNi2SiCr:iin. Vaikka CuNiSn-, CuCr-, CuCrNb-, CuAlFeNi- ja muilla materiaaleilla on myös liittyviä lisäainevalmistustutkimuksia ja -sovelluksia, käyttöaste ei ole yhtä korkea kuin neljällä ensimmäisellä tuoteryhmällä. 1. Kuparilejeeringeihin verrattuna puhtaan Cu:n etuna on sen sähkön- ja lämmönjohtavuus, koska erilaiset kuparilejeeringit menettävät väistämättä sähkö- ja lämmönjohtavuutensa lisättyään kupariin elementtejä. Koska puhtaalla kuparilla on alhainen absorptionopeus tavanomaisella 1064 nm:n aallonpituudella, niin kutsutulla punaisen valon aallonpituudella, ja tiivistystä on vaikea saavuttaa, puhdas Cu-tulostus on aina ollut ongelma. Nykyisenä ratkaisuna on käyttää lyhytaaltolasereita, kuten TRUMPF:n 515nm vihreä laserlaitteita, ja toinen on tehon lisääminen, kuten EOS:n AMCM-laitteet, jotka on varustettu 1Kw laserilla puhtaaseen kuparitulostukseen. Riippumatta siitä, minkä tyyppisiä laitteita käytetään painamiseen, jos haluat saada puhdasta kupariosia, joilla on korkea tiheys tai korkea sähkö- ja lämmönjohtavuus, raaka-ainejauheen on säilytettävä korkea puhtaus, mutta sillä on myös jauheen ominaisuudet, jotka helpottavat tiivistymisen saavuttamista. , kuten kohtuullinen hiukkaskokojakautuma ja virtaus. Sillä on hyvä kestävyys ja korkea irtotiheys.
Puhtaan kuparijauheen valmistuksen kannalta tavoitteena on materiaalien korkean puhtauden säilyttäminen ja korkea pallomaisuus. 2. CuSn10 CuSn10 on eräänlainen valutinapronssi, joka on helppo muotoilla. Monet kuparimateriaaleista valmistetut mallit tai käsityöt käyttävät tulostamiseen CuSn10-materiaalia.
CuSn10-seoksella on korkea lujuus ja kestävyys Sillä on erinomainen kulutus- ja korroosionkestävyys ja sitä voidaan käyttää kulutusta kestävien osien, kuten terien ja hammaspyörien valmistukseen. Sen sähkö- ja lämmönjohtavuus ei kuitenkaan ole korkea, joten CuSn10:tä ei yleensä käytetä sähkö- tai lämmönjohtavuusvaatimuksiin. CuSn10 on perinteinen tuote nykyisten lisäaineiden valmistuksen kupariseosmateriaalien joukossa. 3. CuCrZr-rakettimoottori on tyypillinen kuparilejeeringin käyttöskenaario. Moottorin vuorausten ja niihin liittyvien osien materiaalivaatimukset ovat erittäin korkeat. Toisaalta palamislämpötila polttokammiossa on erittäin korkea (yli 3000 astetta). Toisaalta korkea lämpötila, korkea paine ja nopea kaasu syövyttävät voimakkaasti materiaaleja. CuCr-seos on tyypillinen saostusvahvistettu kupariseos. Zr-elementin lisääminen voi edistää Cr-faasin saostumista ja parantaa saostuneiden faasien jakautumista. Samaan aikaan Zr:n ja Cu:n muodostamalla kupari-zirkoniumyhdisteellä voi olla saostumista vahvistavan roolin. Siksi CuCrZr-seoksen mekaniikalla on erinomainen suorituskyky ja sitä voidaan käyttää rakettimoottorien osien valmistuksessa. Viime vuosina kotimaiset ilmailu- ja avaruusyksiköt ovat tehneet paljon tutkimus- ja kehitystyötä rakettimoottorien työntökammion osien lisäainevalmistuksessa, ja CuCrZr on tällä hetkellä valinnainen materiaali.
On syytä mainita, että Rockets Copper -metalliseosmateriaaleja moottorin osiin päivitetään ja toistetaan edelleen. CuZr, CuCr, CuAgZr, CuCrNb ja muita materiaaleja on käytetty tutkimuksessa, erityisesti GRcop-42 (Cu-4Cr-2Nb at %), sen odotetaan päivittävän rakettimoottorin polttokammiota materiaalit uudelle tasolle. 4. CuNi2SiCrSLM Solutions lanseerasi CuNi2SiCr-kupariseosmateriaalituotteen vuonna 2019. Tämä materiaali on lämpökäsiteltävä karkaiseva metalliseos, jolla on korkea lujuus ja tasapainoinen sähkönjohtavuuden ja lämmönjohtavuuden yhdistelmä. Samaan aikaan seoksessa on nikkeli- ja piikomponentteja ja sillä on korkea korroosionkestävyys ja kulutuskestävyys. CuNi2SiCr itsessään ei ole uusi komponentti. Tämä materiaali vastaa amerikkalaista standardia C18000 metalliseosta. SLM Solutions otti johtoaseman tämän materiaalin käyttämisessä lisäainevalmistuksessa ja suoritti materiaalin tunnistus- ja parametrien varmennustyöt lisäten tärkeän jäsenen lisäainevalmistuksen kupariseosperheeseen. . CuNi2SiCr:n lujuus lämpökäsittelyn jälkeen on huomattavasti korkeampi kuin CuCrZr:n ja muiden materiaalien lujuus. Samalla se voi säilyttää tietyn lämmönjohtavuuden ja sähkönjohtavuuden. Se voi jo täyttää joitakin muotin valmistusvaatimuksia ja johtavien osien vaatimuksia, joten sillä on tärkeitä sovelluksia muotti- ja sähkökentillä. T&K-trendit ja maani kehittyneiden kupariseosmateriaalien kohtaamat ongelmat (1) Teknologian T&K-trendit Viime vuosina kotimaani korkean suorituskyvyn kupariseosten ja niiden valmistusteknologian yleinen taso on edistynyt suuresti ja korkean suorituskyvyn kupariseostyypit itsenäisten immateriaalioikeuksien omaavien tuotteiden määrä on jatkanut kasvuaan. , kupariseosmateriaalien käsittelyn asennettu taso on lähellä kansainvälistä edistynyttä tasoa. Kehittyneiden kupariseosmateriaalien T&K:n ja teollistumisen kehitystrendillä on seuraavat ominaisuudet. (1) Yksittäisistä suorituskykyvaatimuksista monitoimiominaisuuksiin. Esimerkiksi kuparipohjaisten materiaalien, joilla on korkea lämmönjohtavuus ja korkeat sähkömagneettiset suojausominaisuudet, tulisi vastata johdinmateriaalien kysyntää erittäin tarkoilla kentillä, kuten pulssivoimakkailla magneettikentillä ja hiukkaskiihdytetyillä sähkömagneettisilla lähettimillä; suurten nopeuksien rautateiden sähköverkon kontaktijohdot, joiden nopeus on 380 km/h. Korkean sähkönjohtavuuden lisäksi sillä tulisi olla myös suurempi lujuus, kulutuskestävyys ja väsymiskestävyys; Erittäin suuren mittakaavan integroitujen piirien kuparilejeeringeiltä vaaditaan korkea lujuus ja korkea johtavuus, lämmönkestävyys, taivutuskestävyys, helppo syövytys ja muut ominaisuudet. (2) Kuparinkäsittelymateriaalit kehittyvät ohuen, ohuen, pitkän ja suuren tarkkuuden suuntaan. Tuotteiden kysyntä, kuten ultrahienot langat, ultraohuet nauhat, ohutseinäiset putket, erikoispitkät putket, erikoispitkät nauhat, kierreputket, erikoismuotoiset putket, erikoismuotoiset tangot, erikoismuotoiset nauhat jne. jatkaa kasvuaan. Esimerkiksilyijykehys heijastaa moninapaista ja korkeatiheyttä ,kehitystrendi erittäin ohut ja miniatyrisointi. (3) Kuparin korkea puhdistus. Teollisen kuparin kuparipitoisuus on nostettu 99,9 %:sta 99,95 %:iin ja sen jälkeen 99,99 %:iin tai jopa korkeammalle materiaalin sähkön- ja lämmönjohtavuuden maksimoimiseksi. Ultrapuhdas kupari, joka sisältää 99 999 9% kuparia, minimoi epäpuhtauksien vaikutuksen sähkön- ja lämmönjohtavuuteen. (4) Materiaalikomposiitti. Yhden materiaalin lujitusmenetelmän mahdollisuudet ovat rajalliset, ja komposiittimenetelmien käyttö kuparimateriaalien kokonaissuorituskyvyn parantamiseksi on noussut tutkimuskohteena. Esimerkiksi toisen vaiheen hiukkasten, kuitujen tai kuitujen lisääminen kupariseoksiin kuparimatriisin vahvistamiseksi ja uusien monitoimisten kuparipohjaisten komposiittimateriaalien kehittämiseksi on erittäin tärkeää korkean suorituskyvyn kupariseosten suunnitteluteorian ja käytännön sovellusten kannalta tekniikan aloilla. arvo. (2) Kohdatut ongelmat Vaikka kotimaani on maailman suurin kupariseosmateriaalien tuottaja, se ei silti ole vahva maa kupariseosmateriaalien suhteen. kotimaani on edelleen vahvasti riippuvainen tuonnista korkean suorituskyvyn kupariseoksille, joita tarvitaan kipeästi monilla korkean teknologian aloilla, kuten ilmailu-, elektroniikka-, merenkulku- ja huippuluokan laitteet. Kupariseosmateriaalien tuotantoyrityksiä on monia, teollinen keskittyminen alhainen, tuotteiden heikko kilpailukyky ja niukat teollisuuden voitot. , joka ei pysty tukemaan korkean teknologian teollisuuden kehitystä. Tärkeimmät kupariseosmateriaaliteollisuuden ongelmat ovat seuraavat. (1) Tehokkaiden kupariseosmateriaalien lajikkeita ja laatuja on vähän. Joidenkin korkean suorituskyvyn kupariseosten kattava suorituskyky on yleensä alhaisempi kuin vastaavien tuontituotteiden. Esimerkiksi itsenäisesti kehitettyjen ja valmistettujen Cu-Ni-Si- ja Cu-Cr-Zr-lyijyrunkoliuskojen laatu on erittäin alhainen. muutama. (2) Suurikokoisten ja korkealaatuisten kupariseostuotteiden vakaata tuotantokapasiteettia on parannettava pikaisesti. Esimerkiksi läpimurtoja suorituskyvyn vakaudessa, pinnan laadussa ja kattavia valmiita tuotteita korkean tarkkuuden elastisista kupariseosnauhatuotteista tarvitaan edelleen. (3) Suorituskykyisten kupariseosten käsittelyprosessi aiheuttaa suurta ympäristön saastumista ja vakavaa resurssien tuhlausta. Tehokas lyhyen prosessin valmistustekniikka ei ole vielä kypsä, ja tuotteiden laatua ja suorituskykyä on parannettava. (4) Joidenkin huippuluokan tuotantolaitteiden riippumattoman valmistustekniikan puute rajoittaa uusien tuotteiden kehittämistä. Esimerkiksi useimmat korkean tarkkuuden folion tuotantolaitteet ovat riippuvaisia tuonnista. (5) Joistakin korkealaatuisista kupariseosmateriaaleista puuttuu itsenäisiä immateriaalioikeuksia ja julkisia tutkimus- ja kehitysalustoja, ja tietokantojen rakentaminen materiaaliominaisuuksien, tuotantoteknologian, standardien ja eritelmien osalta jää jälkeen. (6) Erittäin puhtaan, erittäin alhaisen happipitoisuuden hapettoman kuparin suurikokoista homogenisoitua valmistustekniikkaa on edelleen parannettava, ja korkean tarkkuuden, suuren halkaisijan ja pitkäikäisen korroosion valmistustekniikkaa on edelleen parannettava. kestävä valkoinen kupari on murskattava edelleen. Lopuksi, verrattuna tuotteisiin, kuten titaaniin, alumiiniin ja korkean lämpötilan metalliseoksiin, kuparin ja kupariseosten valmistus ei ole vielä kypsää. EOS on ottanut käyttöön materiaalituotteille Teknologiavalmiustasoa (TRL) vastaavan konseptin vuodesta 2019 lähtien. Tällä hetkellä kahdentyyppiset kuparimateriaalit on merkitty tasoksi 3, joka on varmennustaso, kun taas tuotteet, kuten IN718 ja AlSi10Mg, ovat yleensä tasoa {{ 86}}. Tässä vaiheessa additiivinen valmistus on vähitellen siirtynyt mallin todentamisesta tuotteen valmistukseen. Additiivinen valmistusmateriaali siirtyy vaiheeseen, jossa valitaan tai suunnitellaan materiaaleja sovellusten perusteella. Kuparin ja kupariseosmateriaalien päivitetty iteraatio on ilmeisempi. On ennakoitavissa, että prosessien ja materiaalien jatkuvan kehittymisen myötä kuparimateriaalien additiivinen valmistussovellus nousee uudelle tasolle. (Materiaalin omistaja verkossa)
