Tendances et problèmes de recherche et développement des matériaux avancés en alliage de cuivre
Le cuivre et les alliages de cuivre constituent une classe de matériaux clés ayant des applications importantes. En raison de son excellente conductivité thermique, conductivité électrique, ductilité, résistance à la corrosion et autres propriétés, le cuivre est un matériau nécessaire dans certaines applications de l'aérospatiale, des armes et des équipements. Au cours des deux dernières années, l’industrie manufacturière a clairement ressenti la croissance de la demande d’alliages de cuivre. De nouveaux utilisateurs développent constamment des applications de fabrication additive d’alliages de cuivre. Les matériaux sont également passés du bronze à l'étain moulé, facile à former, au cuivre pur et à divers types de cuivre à haute résistance et haute conductivité. Selon un rapport de recherche, le marché mondial de la fabrication additive de cuivre connaîtra une croissance annuelle composée de 51 % entre 2019 et 2027. Bien qu'il existe encore de nombreux problèmes de processus et de matériaux dans l'impression d'alliages de cuivre, il est prévisible que le cuivre aura un place dans la fabrication additive métallique. L'état d'application des matériaux en alliage de cuivre au pays et à l'étranger. Avec les progrès rapides des industries de haute technologie, de nouveaux matériaux se développent dans le sens d’ultra-hautes performances, d’une haute pureté et d’une itération élevée. L'intégration, la fonctionnalité, la miniaturisation, la fiabilité, etc. de produits associés ont été proposées. Exigences plus élevées. En tant que matériaux conducteurs de base, le cuivre et les alliages de cuivre avancés sont largement utilisés dans les grilles de connexion des circuits intégrés à très grande échelle dans l'industrie de l'information électronique, les contre-mesures électroniques, les radars, les tubes micro-ondes de haute puissance pour les équipements de défense nationale, les matériaux conducteurs pour les champs magnétiques à impulsions élevées. , câbles aériens pour le transport ferroviaire à grande vitesse, et grandes barres de guidage et anneaux d'extrémité de moteur de traction asynchrone de modulation de fréquence de puissance et de régulation de vitesse, électrodes de soudage par résistance, matériaux de batterie, matériaux élastiques de pile de chargement pour véhicules à énergie nouvelle, cristalliseurs de machine de coulée continue et aspirateur électrique appareils pour l'industrie métallurgique, ponts de contact de commutation et divers composants pour l'électrotechnique Fils, etc. À l'heure actuelle, de nombreux fabricants étrangers renommés de fabrication additive ont inclus des matériaux en cuivre dans leurs catalogues de produits. De manière plus représentative, EOS a publié en 2020 des fiches techniques pour le Cu pur et le CuCrZr, et a lancé en 2021 des versions AMCM (Additive Manufacturing Customized Machine) des deux types de matériaux, filiale d'EOS. SLM Solutions a lancé successivement les données produits CuSn10 et CuCrZr. En 2019, l'entreprise a lancé des produits CuNi2SiCr qui allient résistance et conductivité électrique et thermique. Ils peuvent être utilisés dans les domaines des moules et de l’électricité et sont devenus un produit phare dans la fabrication additive de matériaux en alliage de cuivre. Les fabricants de matériaux TLS Technik, m4p, Sandvik, Makin et d'autres sociétés ont annoncé leurs propres produits en alliage de cuivre de fabrication additive. À l’heure actuelle, les matériaux en cuivre et en alliages de cuivre destinés à la fabrication additive sont concentrés en Cu pur, CuSn10, CuCrZr et CuNi2SiCr. Bien que CuNiSn, CuCr, CuCrNb, CuAlFeNi et d'autres matériaux fassent également l'objet de recherches et d'applications liées à la fabrication additive, le degré d'application n'est pas aussi élevé que celui des quatre premières catégories de produits. 1. Par rapport aux alliages de cuivre, l'avantage du Cu pur est sa conductivité électrique et thermique, car divers alliages de cuivre perdront inévitablement leur conductivité électrique et thermique après avoir ajouté des éléments au cuivre. Étant donné que le cuivre pur a un faible taux d'absorption à la longueur d'onde conventionnelle de 1 064 nm, appelée longueur d'onde de la lumière rouge, et qu'il est difficile d'obtenir une densification, l'impression au Cu pur a toujours été un problème. La solution actuelle consiste à utiliser des lasers à courte longueur d'onde, comme l'équipement laser vert 515 nm de TRUMPF, et l'autre consiste à augmenter la puissance, comme l'équipement AMCM d'EOS équipé d'un laser de 1 kW pour l'impression sur cuivre pur. Quel que soit le type d'équipement utilisé pour l'impression, si vous souhaitez obtenir des pièces en cuivre pur à haute densité ou à haute conductivité électrique et thermique, la poudre de matière première doit conserver une pureté élevée tout en présentant des caractéristiques de poudre qui facilitent la densification. , tels qu'une distribution granulométrique et un débit raisonnables. Il présente les caractéristiques d’une bonne durabilité et d’une densité apparente élevée.
En termes de préparation de poudre de cuivre pur, l’objectif est de maintenir une grande pureté des matériaux tout en conservant une sphéricité élevée. 2. CuSn10 CuSn10 est une sorte de bronze à l'étain moulé facile à former. De nombreux modèles ou objets artisanaux impliquant des matériaux en cuivre utilisent le matériau CuSn10 pour l'impression.
L'alliage CuSn10 a une résistance et une durabilité élevées. Il présente une excellente résistance à l'usure et à la corrosion et peut être utilisé pour fabriquer des pièces résistantes à l'usure telles que des pales et des engrenages. Cependant, sa conductivité électrique et thermique n'est pas élevée, donc CuSn10 n'est généralement pas utilisé pour les exigences de conductivité électrique ou thermique. CuSn10 est un produit conventionnel parmi les matériaux d’alliage de cuivre de fabrication additive actuels. 3. Le moteur-fusée CuCrZr est un scénario d’application typique de l’alliage de cuivre. Les exigences en matière de matériaux pour les garnitures de moteur et les pièces associées sont extrêmement élevées. D'une part, la température de combustion dans la chambre de combustion est extrêmement élevée (plus de 3 000 degrés). D’un autre côté, les gaz à haute température, haute pression et vitesse élevée entraînent une forte érosion des matériaux. L'alliage CuCr est un alliage de cuivre typique renforcé par précipitation. L'ajout d'élément Zr peut favoriser la précipitation de la phase Cr et améliorer la répartition des phases précipitées. Dans le même temps, le composé cuivre-zirconium formé par Zr et Cu peut jouer le rôle de renforcement des précipitations. Par conséquent, la mécanique de l’alliage CuCrZr présente d’excellentes performances et peut être utilisée dans la fabrication de pièces de moteurs de fusée. Ces dernières années, les unités aérospatiales nationales ont effectué de nombreux travaux de recherche et développement sur la fabrication additive de pièces de chambre de poussée de moteurs de fusée, et CuCrZr est actuellement le matériau optionnel.
Il convient de mentionner que les matériaux en alliage de cuivre Rockets pour les pièces de moteur sont toujours mis à jour et itérés. CuZr, CuCr, CuAgZr, CuCrNb et d'autres matériaux ont été appliqués dans la recherche, en particulier GRcop-42 (Cu-4Cr-2Nb à %), il devrait améliorer la chambre de combustion des moteurs-fusées matériaux à un nouveau niveau. 4. CuNi2SiCrSLM Solutions a lancé le produit en alliage de cuivre CuNi2SiCr en 2019. Ce matériau est un alliage durcissable par traitement thermique à haute résistance et une combinaison équilibrée de conductivité électrique et de conductivité thermique. Dans le même temps, l'alliage comprend des composants en nickel et en silicium et présente une résistance élevée à la corrosion et à l'usure. CuNi2SiCr lui-même n’est pas un nouveau composant. Ce matériau correspond à l'alliage standard américain C18000. SLM Solutions a pris la tête de l'utilisation de ce matériau pour la fabrication additive et a réalisé des travaux d'identification des matériaux et de vérification des paramètres, ajoutant ainsi un membre important à la famille des alliages de cuivre pour la fabrication additive. . La résistance du CuNi2SiCr après traitement thermique est nettement supérieure à celle du CuCrZr et d’autres matériaux. En même temps, il peut maintenir une certaine conductivité thermique et conductivité électrique. Il peut déjà répondre à certaines exigences de fabrication de moules et à certaines exigences en matière de pièces conductrices, il aura donc des applications importantes dans les domaines des moules et de l'électricité. Tendances de R&D et problèmes rencontrés par les matériaux avancés en alliages de cuivre de mon pays (1) Tendances technologiques de R&D Au cours des dernières années, le niveau global des alliages de cuivre de haute performance de mon pays et leur technologie de préparation ont fait de grands progrès, et les types d'alliages de cuivre de haute performance les produits dotés de droits de propriété intellectuelle indépendants ont continué à augmenter. , le niveau installé de traitement des matériaux en alliage de cuivre est proche du niveau avancé international. La tendance de développement de la R&D et de l’industrialisation des matériaux avancés en alliage de cuivre présente les caractéristiques suivantes. (1) Des exigences de performances uniques aux exigences de fonctionnalités multifonctionnelles. Par exemple, les matériaux à base de cuivre présentant une conductivité thermique élevée et des propriétés de blindage électromagnétique élevées devraient répondre à la demande de matériaux conducteurs dans des domaines de haute précision tels que les systèmes de champs magnétiques puissants pulsés et les émetteurs électromagnétiques accélérés par des particules ; lignes de contact du réseau électrique ferroviaire à grande vitesse avec une vitesse de 380 km/h En plus d'une conductivité électrique élevée, elles doivent également avoir une résistance, une résistance à l'usure et une résistance à la fatigue plus élevées ; les alliages de cuivre destinés aux circuits intégrés à très grande échelle doivent avoir une résistance élevée et une conductivité élevée, une résistance à la chaleur, une résistance à la flexion, une gravure facile et d'autres caractéristiques. (2) Les matériaux de traitement du cuivre évoluent dans le sens d’une précision fine, fine, longue et élevée. La demande de produits tels que des fils ultra-fins, des bandes ultra-minces, des tubes à paroi mince, des tubes extra-longs, des bandes extra-longues, des tuyaux filetés, des tubes de forme spéciale, des tiges de forme spéciale, des bandes de forme spéciale, etc. .. continue d'augmenter. Par exemple, la grille de connexion reflète le multi-broches et la haute densité, la tendance de développement de l'ultra-mince et de la miniaturisation. (3) Haute purification du cuivre. La teneur en cuivre du cuivre industriel a été augmentée de 99,9 % à 99,95 %, puis à 99,99 % ou même plus, afin de maximiser la conductivité électrique et thermique du matériau. Le cuivre ultra pur, contenant 99,999 9 % de cuivre, minimisera l'impact des impuretés sur la conductivité électrique et thermique. (4) Matériau composite. Une méthode de renforcement d'un seul matériau a un potentiel limité, et l'utilisation de méthodes composites pour améliorer encore les performances globales des matériaux en cuivre est devenue un point chaud de la recherche. Par exemple, l'ajout de particules, de moustaches ou de fibres de seconde phase aux alliages de cuivre pour renforcer de manière composite la matrice de cuivre et développer de nouveaux matériaux composites multifonctionnels à base de cuivre est d'une grande importance pour la théorie de la conception d'alliages de cuivre à haute performance et pour les applications pratiques dans les domaines à haute performance. domaines technologiques. valeur. (2) Problèmes rencontrés Bien que mon pays soit le plus grand producteur de matériaux en alliages de cuivre au monde, ce n'est toujours pas un pays fort dans le domaine des matériaux en alliages de cuivre. mon pays dépend toujours fortement des importations d'alliages de cuivre de haute performance qui sont nécessaires de toute urgence dans de nombreux domaines de haute technologie tels que l'aérospatiale, l'information électronique, l'ingénierie maritime et les équipements haut de gamme. Il existe de nombreuses entreprises de production de matériaux en alliage de cuivre, une faible concentration industrielle, une faible compétitivité des produits et de maigres bénéfices industriels. , incapable de soutenir le développement des industries de haute technologie. Les principaux problèmes liés à l’industrie des matériaux en alliages de cuivre sont les suivants. (1) Il existe peu de variétés et de qualités de matériaux en alliage de cuivre haute performance. Les performances globales de certains alliages de cuivre haute performance sont généralement inférieures à celles de produits importés similaires. Par exemple, les qualités des bandes de grilles de connexion Cu-Ni-Si et Cu-Cr-Zr développées et produites indépendamment sont extrêmement faibles. peu. (2) La capacité de production stable de produits en alliage de cuivre de grande taille et de haute qualité doit être améliorée de toute urgence. Par exemple, des avancées en matière de stabilité des performances, de qualité de surface et de produits finis complets de produits en bandes élastiques en alliage de cuivre de haute précision sont encore nécessaires. (3) Le processus de traitement des alliages de cuivre à haute performance entraîne une pollution environnementale importante et un grave gaspillage de ressources ; la technologie de préparation à processus court à haute efficacité n'est pas encore mature et la qualité et les performances des produits doivent être améliorées. (4) Le manque de technologie de fabrication indépendante pour certains équipements de production haut de gamme limite le développement de nouveaux produits. Par exemple, la plupart des équipements de production de feuilles de haute précision dépendent des importations. (5) Certains matériaux en alliage de cuivre haut de gamme ne disposent pas de droits de propriété intellectuelle indépendants ni de plates-formes publiques de recherche et développement, et la construction de bases de données en termes de propriétés des matériaux, de technologie de production, de normes et de spécifications est à la traîne. (6) La technologie de préparation homogénéisée de grande taille de cuivre sans oxygène de très haute pureté et à très faible teneur en oxygène doit encore être améliorée, et la technologie de préparation de haute précision, de grand diamètre et de longue durée de vie. le cuivre blanc résistant doit être davantage percé. Enfin, comparée à des produits tels que le titane, l’aluminium et les alliages haute température, la fabrication additive du cuivre et de ses alliages n’est pas encore mature. EOS a introduit un concept similaire au niveau de maturité technologique (TRL) pour les produits matériels depuis 2019. Actuellement, deux types de matériaux en cuivre sont marqués comme niveau 3, qui est un niveau de vérification, tandis que des produits tels que IN718 et AlSi10Mg sont généralement de niveau {{ 86}}. À ce stade, la fabrication additive est progressivement passée de la vérification de modèles à la fabrication de produits. Les matériaux de fabrication additive entreront dans la phase de sélection ou de conception de matériaux en fonction des applications. L'itération mise à jour des matériaux en cuivre et en alliages de cuivre est plus évidente. Il est prévisible qu’avec l’avancement continu des processus et des matériaux, l’application de la fabrication additive de matériaux en cuivre atteindra un nouveau niveau. (Propriétaire du matériel en ligne)
