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In einem kürzlich in der Zeitschrift Additive Manufacturing Letters veröffentlichten Artikel diskutieren Forscher den Laserschmelzprozess für Kupferverbundwerkstoffe auf Basis von Edelstahl 316L.
Forschung: Synthese von 316L-Edelstahl-Kupfer-Verbundwerkstoffen durch Laserschmelzen.Bildnachweis: Pedal auf Lager / Shutterstock.com
Obwohl die Wärmeübertragung innerhalb eines homogenen Festkörpers diffus erfolgt, kann sich Wärme auf dem Weg des geringsten Widerstands durch einen Festkörper bewegen.Bei Metallschaumheizkörpern wird empfohlen, die Anisotropie der Wärmeleitfähigkeit und -permeabilität zu nutzen, um die Wärmeübertragungsrate zu erhöhen.
Darüber hinaus soll die anisotrope Wärmeleitung dazu beitragen, parasitäre Verluste durch axiale Wärmeleitung in kompakten Wärmetauschern zu reduzieren.Um die Wärmeleitfähigkeit von Legierungen und Metallen zu verändern, wurden verschiedene Methoden eingesetzt.Keiner dieser Ansätze eignet sich für die Skalierung von Richtungskontrollstrategien für den Wärmefluss in Metallbauteilen.
Metallmatrix-Verbundwerkstoffe (MMC) werden aus kugelgemahlenen Pulvern mittels Laserschmelzen im Pulverbett (LPBF)-Technologie hergestellt.Kürzlich wurde eine neue Hybrid-LPBF-Methode zur Herstellung von ODS 304 SS-Legierungen vorgeschlagen, indem Yttriumoxid-Vorläufer in eine Schicht aus 304 SS-Pulver vor der Laserverdichtung mittels piezoelektrischer Tintenstrahltechnologie dotiert werden.Der Vorteil dieses Ansatzes ist die Möglichkeit, die Materialeigenschaften in verschiedenen Bereichen der Pulverschicht gezielt anzupassen, wodurch Sie die Materialeigenschaften innerhalb des Arbeitsvolumens des Werkzeugs steuern können.
Schematische Darstellung der Heizbettmethode für (a) Nacherwärmung und (b) Tintenumwandlung.Bildnachweis: Murray, JW et al.Briefe zur additiven Fertigung.
In dieser Studie verwendeten die Autoren Cu-Tintenstrahltinte, um ein Laserschmelzverfahren zur Herstellung von Metallmatrix-Verbundwerkstoffen mit besserer Wärmeleitfähigkeit als Edelstahl 316L zu demonstrieren.Um ein hybrides Tintenstrahl-Pulverbett-Fusionsverfahren zu simulieren, wurde eine Pulverschicht aus rostfreiem Stahl mit Kupfervorläufertinten dotiert und ein neues Reservoir zur Kontrolle des Sauerstoffgehalts während der Laserbearbeitung verwendet.
Das Team erstellte Verbundwerkstoffe aus 316L-Edelstahl und Kupfer mithilfe von Inkjet-Kupfertinte in einer Umgebung, die eine Laserlegierung in einem Pulverbett simulierte.Vorbereitung chemischer Reaktoren mithilfe einer neuen Hybrid-Tintenstrahl- und LPBF-Technik, die die gerichtete Wärmeleitung nutzt, um die Gesamtgröße und das Gewicht des Reaktors zu reduzieren.Die Möglichkeit der Herstellung von Verbundmaterialien mithilfe von Inkjet-Tinte wird demonstriert.
Die Forscher konzentrierten sich auf die Auswahl von Cu-Tintenvorläufern und das Herstellungsverfahren für Verbundtestprodukte, um Materialdichte, Mikrohärte, Zusammensetzung und Wärmeleitfähigkeit zu bestimmen.Zwei Kandidatentinten wurden aufgrund ihrer Oxidationsstabilität, geringen oder keinen Zusatzstoffen, Kompatibilität mit Tintenstrahldruckköpfen und minimalen Rückständen nach der Umwandlung ausgewählt.
Die ersten CufAMP-Tinten verwenden Kupferformiat (Cuf) als Kupfersalz.Vinyltrimethylkupfer(II)hexafluoracetylacetonat (Cu(hfac)VTMS) ist ein weiterer Tintenvorläufer.Es wurde ein Pilotversuch durchgeführt, um herauszufinden, ob die Trocknung und thermische Zersetzung der Tinte im Vergleich zur herkömmlichen Trocknung und thermischen Zersetzung zu einer stärkeren Kupferverunreinigung aufgrund der Verschleppung chemischer Nebenprodukte führt.
Mit beiden Methoden wurden zwei Mikrocoupons hergestellt und ihre Mikrostruktur verglichen, um die Wirkung der Umschaltmethode zu bestimmen.Bei einer Belastung von 500 gf und einer Haltezeit von 15 s wurde die Vickers-Mikrohärte (HV) am Querschnitt der Fusionszone zweier Proben gemessen.
Schematische Darstellung des Versuchsaufbaus und der wiederholten Prozessschritte zur Herstellung von 316L SS-Cu-Verbundproben, die mit der Heizbettmethode hergestellt wurden.Bildnachweis: Murray, JW et al.Briefe zur additiven Fertigung.
Es wurde festgestellt, dass die Wärmeleitfähigkeit des Verbundwerkstoffs um 187 % höher ist als die von Edelstahl 316L und die Mikrohärte um 39 % geringer ist.Mikrostrukturstudien haben gezeigt, dass die Reduzierung von Grenzflächenrissen die Wärmeleitfähigkeit und die mechanischen Eigenschaften von Verbundwerkstoffen verbessern kann.Für einen gerichteten Wärmefluss im Inneren des Wärmetauschers ist es notwendig, die Wärmeleitfähigkeit von Edelstahl 316L gezielt zu erhöhen.Der Verbundwerkstoff hat eine effektive Wärmeleitfähigkeit von 41,0 W/mK, das 2,9-fache von Edelstahl 316L, und eine Reduzierung der Härte um 39 %.
Im Vergleich zu geschmiedetem und geglühtem Edelstahl 316L betrug die Mikrohärte der Probe in der erhitzten Schicht 123 ± 59 HV, was 39 % niedriger ist.Die Porosität des endgültigen Verbundwerkstoffs betrug 12 %, was mit dem Vorhandensein von Hohlräumen und Rissen an der Grenzfläche zwischen der SS- und der Cu-Phase zusammenhängt.
Für die Proben nach dem Erhitzen und der Heizschicht wurde die Mikrohärte der Querschnitte der Schmelzzone mit 110 ± 61 HV bzw. 123 ± 59 HV bestimmt, was 45 % bzw. 39 % niedriger ist als 200 HV für geschmiedet geglüht Edelstahl 316L.Aufgrund des großen Unterschieds in der Schmelztemperatur von Cu und 316L-Edelstahl, etwa 315 °C, bildeten sich in den hergestellten Verbundwerkstoffen Risse als Folge von Fluidisierungsrissen, die durch die Fluidisierung von Cu verursacht wurden.
BSE-Bild (oben links) und Karte der Elemente (Fe, Cu, O) nach dem Erhitzen der Probe, erhalten durch WDS-Analyse.Bildnachweis: Murray, JW et al.Briefe zur additiven Fertigung.
Zusammenfassend zeigt diese Studie einen neuen Ansatz zur Herstellung von 316L SS-Cu-Verbundwerkstoffen mit besserer Wärmeleitfähigkeit als 316L SS unter Verwendung aufgesprühter Kupfertinte.Der Verbundstoff wird hergestellt, indem man Tinte in eine Handschuhbox gibt und sie in Kupfer umwandelt, dann Edelstahlpulver darübergibt und dann in einem Laserschweißgerät mischt und aushärtet.
Vorläufige Ergebnisse zeigen, dass die methanolbasierte Cuf-AMP-Tinte in einer dem LPBF-Prozess ähnlichen Umgebung zu reinem Kupfer abgebaut werden kann, ohne Kupferoxid zu bilden.Das Heizbettverfahren zum Auftragen und Umwandeln von Tinte erzeugt Mikrostrukturen mit weniger Hohlräumen und Verunreinigungen als herkömmliche Nacherwärmungsverfahren.
Die Autoren weisen darauf hin, dass zukünftige Studien Möglichkeiten zur Reduzierung der Korngröße und zur Verbesserung des Schmelzens und Mischens der SS- und Cu-Phasen sowie der mechanischen Eigenschaften der Verbundwerkstoffe untersuchen werden.
Murray JW, Speidel A., Spierings A. et al.Synthese von 316L-Edelstahl-Kupfer-Verbundwerkstoffen durch Laserschmelzen.Faktenblatt zur additiven Fertigung 100058 (2022).https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2772369022000329
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Surbhi Jain ist ein freiberuflicher Technologieautor mit Sitz in Delhi, Indien.Sie hat einen Ph.D.Er hat einen Doktortitel in Physik von der Universität Delhi und hat an mehreren wissenschaftlichen, kulturellen und sportlichen Aktivitäten teilgenommen.Ihr akademischer Hintergrund liegt in der materialwissenschaftlichen Forschung mit Spezialisierung auf die Entwicklung optischer Geräte und Sensoren.Sie verfügt über umfassende Erfahrung im Verfassen von Inhalten, Bearbeiten, experimenteller Datenanalyse und Projektmanagement und hat sieben Forschungsartikel in Scopus-indexierten Fachzeitschriften veröffentlicht und zwei indische Patente auf der Grundlage ihrer Forschungsarbeit angemeldet.Sie liebt das Lesen, Schreiben, Recherchieren und Technologie und genießt Kochen, Spielen, Gartenarbeit und Sport.
Jainismus, Surbhi.(25. Mai 2022).Laserschmelzen ermöglicht die Herstellung verstärkter Edelstahl- und Kupferverbundwerkstoffe.A-Z.Abgerufen am 25. Dezember 2022 von https://www.azom.com/news.aspx?newsID=59155.
Jainismus, Surbhi.„Laserschmelzen ermöglicht die Herstellung verstärkter Edelstahl- und Kupferverbundwerkstoffe.“A-Z.25. Dezember 2022 .25. Dezember 2022 .
Jainismus, Surbhi.„Laserschmelzen ermöglicht die Herstellung verstärkter Edelstahl- und Kupferverbundwerkstoffe.“A-Z.https://www.azom.com/news.aspx?newsID=59155.(Stand: 25. Dezember 2022).
Jainismus, Surbhi.2022. Herstellung von verstärkten Edelstahl-/Kupfer-Verbundwerkstoffen durch Laserschmelzen.AZoM, abgerufen am 25. Dezember 2022, https://www.azom.com/news.aspx?newsID=59155.
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