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Additive Manufacturing Letters 저널에 게재된 최근 기사에서 연구자들은 316L 스테인리스강을 기반으로 한 구리 복합재의 레이저 용융 공정에 대해 논의했습니다.
연구: 레이저 용융을 통한 316L 스테인리스강-구리 복합재 합성.이미지 크레디트: 페달 재고 있음 / Shutterstock.com
균질한 고체 내의 ​​열 전달은 확산되지만 열은 저항이 가장 적은 경로를 따라 고체 덩어리를 통해 이동할 수 있습니다.금속 폼 라디에이터에서는 열 전달률을 높이기 위해 열전도도 및 투자율의 이방성을 사용하는 것이 좋습니다.
또한, 이방성 열전도는 소형 열 교환기의 축 전도로 인한 기생 손실을 줄이는 데 도움이 될 것으로 예상됩니다.합금과 금속의 열전도율을 변경하기 위해 다양한 방법이 사용되었습니다.이러한 접근법 중 어느 것도 금속 부품의 열 흐름에 대한 방향 제어 전략을 확장하는 데 적합하지 않습니다.
MMC(Metal Matrix Composites)는 LPBF(Laser Melting In Powder Bed) 기술을 사용하여 볼 밀링 분말로 생산됩니다.압전 잉크젯 기술을 사용하여 레이저 치밀화에 앞서 이트륨 산화물 전구체를 304 SS 분말 층에 도핑하여 ODS 304 SS 합금을 제조하는 새로운 하이브리드 LPBF 방법이 최근 제안되었습니다.이 접근 방식의 장점은 파우더 레이어의 다양한 영역에서 재료 특성을 선택적으로 조정할 수 있다는 것입니다. 이를 통해 도구의 작업량 내에서 재료 특성을 제어할 수 있습니다.
(a) 후가열 및 (b) 잉크 전환을 위한 히팅베드 방법의 도식적 표현.이미지 크레디트: Murray, JW 외.적층 가공에 관한 편지.
본 연구에서 저자는 Cu 잉크젯 잉크를 사용하여 316L 스테인리스강보다 열 전도성이 더 우수한 금속 매트릭스 복합재를 생산하기 위한 레이저 용융 방법을 시연했습니다.하이브리드 잉크젯-분말층 융합 방법을 시뮬레이션하기 위해 스테인레스 스틸 분말 층에 구리 전구체 잉크가 도핑되었으며 레이저 처리 중 산소 수준을 제어하기 위해 새로운 저장소가 사용되었습니다.
팀은 파우더 베드에서 레이저 합금을 시뮬레이션하는 환경에서 잉크젯 구리 잉크를 사용하여 316L 스테인레스 스틸과 구리의 복합재를 만들었습니다.방향성 열전도를 활용하여 반응기의 전체 크기와 무게를 줄이는 새로운 하이브리드 잉크젯 및 LPBF 기술을 사용하여 화학 반응기를 준비합니다.잉크젯 잉크를 사용하여 복합 재료를 만들 수 있는 가능성이 입증되었습니다.
연구원들은 재료 밀도, 미세 경도, 구성 및 열 확산도를 결정하기 위해 Cu 잉크 전구체 선택과 복합 테스트 제품의 제조 절차에 중점을 두었습니다.산화 안정성, 첨가제가 적거나 없음, 잉크젯 프린트헤드와의 호환성, 변환 후 잔여물 최소화를 기준으로 두 가지 후보 잉크가 선택되었습니다.
최초의 CufAMP 잉크는 구리염으로 포름산 구리(Cuf)를 사용했습니다.비닐트리메틸구리(II) 헥사플루오로아세틸아세토네이트(Cu(hfac)VTMS)는 또 다른 잉크 전구체입니다.잉크의 건조 및 열분해가 기존 건조 및 열분해에 비해 화학적 부산물의 캐리오버로 인해 더 많은 구리 오염을 초래하는지 확인하기 위해 파일럿 실험을 수행했습니다.
두 가지 방법을 모두 사용하여 두 개의 마이크로 쿠폰을 만들고 그 미세 구조를 비교하여 스위칭 방법의 효과를 확인했습니다.500gf의 하중과 15초의 유지 시간에서 두 샘플의 융합 영역 단면에서 비커스 미세경도(HV)를 측정했습니다.
가열층 방법을 사용하여 제작된 316L SS-Cu 복합재 샘플을 제작하기 위해 반복되는 실험 설정 및 공정 단계의 개략도.이미지 크레디트: Murray, JW 외.적층 가공에 관한 편지.
복합재료의 열전도도는 316L 스테인리스강에 비해 187% 높고, 미세경도는 39% 낮은 것으로 나타났다.미세 구조 연구에 따르면 계면 균열을 줄이면 복합재의 열 전도성과 기계적 특성이 향상될 수 있는 것으로 나타났습니다.열교환기 내부의 방향성 열 흐름을 위해서는 316L 스테인레스 스틸의 열전도도를 선택적으로 높여야 합니다.복합재의 유효 열전도율은 41.0W/mK로 316L 스테인리스강의 2.9배이며 경도는 39% 감소합니다.
단조 및 어닐링 처리된 316L 스테인리스강과 비교하여 가열층 샘플의 미세경도는 123±59HV로 39% 더 낮았습니다.최종 복합재의 다공성은 12%였으며 이는 SS와 Cu 상 사이의 경계면에 있는 공동 및 균열의 존재와 관련이 있습니다.
가열 후 샘플과 가열층의 경우 융합부 단면의 미세 경도는 각각 110 ± 61 HV 및 123 ± 59 HV로 결정되었으며 이는 단조 소둔의 경우 200 HV보다 45% 및 39% 낮습니다. 316L 스테인레스 스틸.Cu와 316L 스테인리스강의 용융온도 차이가 약 315℃로 크기 때문에 제작된 복합재에 Cu의 유동에 따른 유동균열이 발생하여 균열이 발생하였다.
WDS 분석을 통해 얻은 샘플 가열 후 BSE 이미지(왼쪽 위)와 원소(Fe, Cu, O) 맵.이미지 크레디트: Murray, JW 외.적층 가공에 관한 편지.
결론적으로, 이 연구는 스프레이 구리 잉크를 사용하여 316L SS보다 열 전도성이 더 우수한 316L SS-Cu 복합재를 생성하는 새로운 접근 방식을 보여줍니다.복합재는 글러브 박스에 잉크를 넣어 구리로 변환한 다음 그 위에 스테인리스 스틸 분말을 추가하고 레이저 용접기에서 혼합하고 경화하여 만들어집니다.
예비 결과는 메탄올 기반의 Cuf-AMP 잉크가 LPBF 공정과 유사한 환경에서 구리 산화물을 형성하지 않고 순수한 구리로 분해될 수 있음을 보여줍니다.잉크를 도포하고 변환하는 히팅베드 방식은 기존 후열 공정보다 공극과 불순물이 적은 미세구조를 생성합니다.
저자들은 향후 연구에서 결정립 크기를 줄이고 SS 및 Cu 상의 용융 및 혼합뿐만 아니라 복합재의 기계적 특성을 개선하는 방법을 모색할 것이라고 밝혔습니다.
머레이 JW, Speidel A., Spierings A. 외.레이저 용융에 의한 316L 스테인레스 스틸-구리 복합재 합성.적층 가공 팩트 시트 100058(2022).https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2772369022000329
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Surbhi Jain은 인도 델리에 거주하는 프리랜서 기술 작가입니다.그녀는 박사 학위를 가지고 있습니다.그는 델리 대학교에서 물리학 박사 학위를 취득했으며 여러 과학, 문화 및 스포츠 활동에 참여했습니다.그녀의 학문적 배경은 광학 장치 및 센서 개발을 전문으로 하는 재료 과학 연구입니다.그녀는 콘텐츠 작성, 편집, 실험 데이터 분석 및 프로젝트 관리 분야에서 광범위한 경험을 갖고 있으며 Scopus 색인 저널에 7개의 연구 논문을 발표했으며 자신의 연구 작업을 기반으로 2개의 인도 특허를 출원했습니다.그녀는 읽기, 쓰기, 연구 및 기술에 열정을 갖고 있으며 요리, 놀이, 정원 가꾸기 및 스포츠를 즐깁니다.
자이나교, 수르비.(2022년 5월 25일).레이저 용융을 통해 강화된 스테인리스강 및 구리 복합재를 생산할 수 있습니다.AZ.https://www.azom.com/news.aspx?newsID=59155에서 2022년 12월 25일에 검색함.
자이나교, 수르비."레이저 용융을 통해 강화된 스테인리스강과 구리 복합재를 생산할 수 있습니다."AZ.2022년 12월 25일 .2022년 12월 25일 .
자이나교, 수르비."레이저 용융을 통해 강화된 스테인리스강과 구리 복합재를 생산할 수 있습니다."AZ.https://www.azom.com/news.aspx?newsID=59155.(2022년 12월 25일 기준)
자이나교, 수르비.2022. 레이저 용융을 통한 강화 스테인리스강/구리 복합재 생산.AZoM, 2022년 12월 25일 접속, https://www.azom.com/news.aspx?newsID=59155.
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