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雑誌「Additive Manufacturing Letters」に掲載された最近の記事では、研究者らが 316L ステンレス鋼をベースとした銅複合材料のレーザー溶解プロセスについて説明しています。
研究: レーザー溶解による 316L ステンレス鋼と銅の複合材料の合成。画像クレジット: ペダル在庫あり / Shutterstock.com
均質な固体内の熱伝達は拡散しますが、熱は最も抵抗の少ない経路に沿って固体塊を通って伝わります。発泡金属ラジエーターでは、熱伝導率と透過率の異方性を利用して熱伝達率を高めることが推奨されます。
さらに、異方性熱伝導は、コンパクトな熱交換器の軸方向伝導によって引き起こされる寄生損失の低減に役立つと期待されています。合金や金属の熱伝導率を変えるために、さまざまな方法が使用されてきました。これらのアプローチはどちらも、金属コンポーネント内の熱流の方向制御戦略をスケールアップするのには適していません。
金属マトリックス複合材料 (MMC) は、粉末床レーザー溶解 (LPBF) 技術を使用してボールミル粉砕された粉末から製造されます。最近、圧電インクジェット技術を使用したレーザー高密度化の前に、酸化イットリウム前駆体を 304 SS 粉末の層にドープすることにより、ODS 304 SS 合金を製造する新しいハイブリッド LPBF 法が提案されました。このアプローチの利点は、粉末層のさまざまな領域の材料特性を選択的に調整できることであり、これによりツールの作業容積内で材料特性を制御できるようになります。
(a) 後加熱および (b) インク変換のための加熱ベッド法の概略図。画像クレジット: Murray、JW 他積層造形に関する手紙。
この研究で、著者らは、Cu インクジェット インクを使用して、316L ステンレス鋼よりも優れた熱伝導率を備えた金属マトリックス複合材料を製造するためのレーザー溶融法を実証しました。ハイブリッドインクジェット粉末床融合法をシミュレートするために、ステンレス鋼粉末層に銅前駆体インクをドープし、新しいリザーバーを使用してレーザー加工中の酸素レベルを制御しました。
研究チームは、粉末床内のレーザー合金をシミュレートした環境でインクジェット銅インクを使用して、316L ステンレス鋼と銅の複合材料を作成しました。新しいハイブリッド インクジェットと LPBF 技術を使用した化学反応器の準備。指向性熱伝導を利用して反応器全体のサイズと重量を削減します。インクジェットインクを用いた複合材料作成の可能性を実証します。
研究者らは、材料の密度、微小硬度、組成、熱拡散率を決定するため、Cu インク前駆体の選択と複合試験製品の製造手順に焦点を当てました。酸化安定性、低添加剤または無添加剤、インクジェット プリントヘッドとの適合性、および変換後の最小限の残留物に基づいて、2 つの候補インクが選択されました。
最初の CufAMP インクは、銅塩としてギ酸銅 (Cuf) を使用します。ビニルトリメチル銅(II) ヘキサフルオロアセチルアセトナート (Cu(hfac)VTMS) は、別のインク前駆体です。インクの乾燥と熱分解により、従来の乾燥と熱分解と比較して化学副生成物のキャリーオーバーによる銅汚染が増えるかどうかを確認するためにパイロット実験が行われました。
両方の方法を使用して 2 つのマイクロクーポンが作成され、その微細構造を比較して切り替え方法の効果を判断しました。荷重 500 gf、保持時間 15 秒で、2 つのサンプルの溶融部の断面のビッカース微小硬度 (HV) を測定しました。
加熱床法を使用して製造された 316L SS-Cu 複合サンプルを製造するために繰り返された実験セットアップとプロセス ステップの概略図。画像クレジット: Murray、JW 他積層造形に関する手紙。
複合材料の熱伝導率は 316L ステンレス鋼よりも 187% 高く、微小硬度は 39% 低いことがわかりました。微細構造の研究により、界面亀裂を減らすと複合材料の熱伝導率と機械的特性が向上することが示されています。熱交換器内の熱の流れを指向的にするには、316L ステンレス鋼の熱伝導率を選択的に高める必要があります。この複合材料の有効熱伝導率は 41.0 W/mK で、これは 316L ステンレス鋼の 2.9 倍であり、硬度は 39% 減少しています。
鍛造および焼きなましされた 316L ステンレス鋼と比較して、加熱層内のサンプルの微小硬度は 123 ± 59 HV で、これは 39% 低かったです。最終的な複合材料の気孔率は 12% でしたが、これは SS 相と Cu 相の間の界面に空洞や亀裂が存在することに関係しています。
加熱後のサンプルと加熱層について、溶融ゾーンの断面の微小硬度はそれぞれ 110 ± 61 HV および 123 ± 59 HV と測定されました。これは、鍛造焼きなましの 200 HV より 45% および 39% 低いです。 316Lステンレス鋼。Cu と 316L ステンレス鋼の溶融温度には約 315°C と大きな差があるため、Cu の流動化によって引き起こされる流動割れの結果として、製造された複合材料に亀裂が形成されました。
WDS 分析によって得られた、サンプル加熱後の BSE 画像 (左上) と元素 (Fe、Cu、O) のマップ。画像クレジット: Murray、JW 他積層造形に関する手紙。
結論として、この研究は、スプレー銅インクを使用して 316L SS よりも優れた熱伝導率を備えた 316L SS-Cu 複合材料を作成するための新しいアプローチを示しています。複合材料は、グローブ ボックスにインクを入れて銅に変換し、その上にステンレス鋼の粉末を加え、レーザー溶接機で混合して硬化させることによって作成されます。
予備的な結果は、メタノールベースの Cuf-AMP インクが、LPBF プロセスと同様の環境で酸化銅を形成することなく純粋な銅に分解できることを示しています。インクを塗布して変換する加熱ベッド法により、従来の後加熱手順よりもボイドや不純物の少ない微細構造が作成されます。
著者らは、今後の研究で粒径を小さくし、SS相とCu相の溶融と混合、さらには複合材料の機械的特性を改善する方法が探究されるだろうと指摘している。
Murray JW、Speidel A.、Spierings A. 他。レーザー溶解による 316L ステンレス鋼と銅の複合材料の合成。積層造形ファクトシート 100058 (2022)。https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2772369022000329
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Surbhi Jain は、インドのデリーを拠点とするフリーランスのテクノロジー ライターです。彼女は博士号を持っています。彼はデリー大学で物理学の博士号を取得しており、いくつかの科学、文化、スポーツ活動に参加してきました。彼女の学歴は材料科学研究で、専門は光学デバイスとセンサーの開発です。彼女はコンテンツの執筆、編集、実験データ分析、プロジェクト管理に豊富な経験を持ち、Scopus のインデックス付きジャーナルに 7 件の研究論文を発表し、研究成果に基づいて 2 件のインド特許を申請しました。彼女は読書、執筆、研究、テクノロジーに情熱を持っており、料理、遊び、ガーデニング、スポーツを楽しんでいます。
ジャイナ教、スールビ教。（2022年5月25日）。レーザー溶解により、強化ステンレス鋼と銅の複合材料を製造できます。アリゾナ州2022 年 12 月 25 日 https://www.azom.com/news.aspx?newsID=59155 から取得。
ジャイナ教、スールビ教。「レーザー溶解により、強化ステンレス鋼と銅の複合材料の製造が可能になります。」アリゾナ州2022 年 12 月 25 日。2022 年 12 月 25 日。
ジャイナ教、スールビ教。「レーザー溶解により、強化ステンレス鋼と銅の複合材料の製造が可能になります。」アリゾナ州https://www.azom.com/news.aspx?newsID=59155。（2022年12月25日現在）。
ジャイナ教、スールビ教。2022. レーザー溶解による強化ステンレス鋼/銅複合材料の製造。AZoM、2022 年 12 月 25 日にアクセス、https://www.azom.com/news.aspx?newsID=59155。
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