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Dans un article récent publié dans la revue Additive Manufacturing Letters, des chercheurs discutent du processus de fusion laser des composites de cuivre à base d'acier inoxydable 316L.
Recherche : Synthèse de composites inox-cuivre 316L par fusion laser.Crédit image : Pédale en stock / Shutterstock.com
Bien que le transfert de chaleur au sein d’un solide homogène soit diffus, la chaleur peut traverser une masse solide le long du chemin de moindre résistance.Dans les radiateurs en mousse métallique, il est recommandé d'utiliser l'anisotropie de conductivité thermique et de perméabilité pour augmenter le taux de transfert de chaleur.
De plus, la conduction thermique anisotrope devrait contribuer à réduire les pertes parasites causées par la conduction axiale dans les échangeurs de chaleur compacts.Diverses méthodes ont été utilisées pour modifier la conductivité thermique des alliages et des métaux.Aucune de ces approches n’est adaptée à l’extension des stratégies de contrôle directionnel du flux thermique dans les composants métalliques.
Les composites à matrice métallique (MMC) sont produits à partir de poudres broyées à billes en utilisant la technologie de fusion laser sur lit de poudre (LPBF).Une nouvelle méthode hybride LPBF a récemment été proposée pour fabriquer des alliages ODS 304 SS en dopant des précurseurs d'oxyde d'yttrium dans une couche de poudre 304 SS avant la densification laser à l'aide de la technologie à jet d'encre piézoélectrique.L'avantage de cette approche est la possibilité d'ajuster sélectivement les propriétés du matériau dans différentes zones de la couche de poudre, ce qui vous permet de contrôler les propriétés du matériau dans le volume de travail de l'outil.
Représentation schématique de la méthode du lit chauffé pour (a) le post-chauffage et (b) la conversion de l'encre.Crédit image : Murray, JW et al.Lettres sur la fabrication additive.
Dans cette étude, les auteurs ont utilisé de l'encre jet d'encre Cu pour démontrer une méthode de fusion laser permettant de produire des composites à matrice métallique présentant une meilleure conductivité thermique que l'acier inoxydable 316L.Pour simuler une méthode de fusion hybride jet d’encre-lit de poudre, une couche de poudre d’acier inoxydable a été dopée avec des encres précurseurs de cuivre et un nouveau réservoir a été utilisé pour contrôler les niveaux d’oxygène pendant le traitement laser.
L’équipe a créé des composites d’acier inoxydable 316L avec du cuivre à l’aide d’encre de cuivre à jet d’encre dans un environnement simulant un alliage laser dans un lit de poudre.Préparation de réacteurs chimiques à l'aide d'une nouvelle technique hybride jet d'encre et LPBF qui tire parti de la conduction thermique directionnelle pour réduire la taille et le poids global du réacteur.La possibilité de créer des matériaux composites à l'aide d'encre jet d'encre est démontrée.
Les chercheurs se sont concentrés sur la sélection des précurseurs de l’encre Cu et sur la procédure de fabrication des produits de test composites afin de déterminer la densité du matériau, la microdureté, la composition et la diffusivité thermique.Deux encres candidates ont été sélectionnées en fonction de leur stabilité à l'oxydation, de la faible ou de l'absence d'additifs, de la compatibilité avec les têtes d'impression à jet d'encre et du minimum de résidus après conversion.
Les premières encres CufAMP utilisent du formiate de cuivre (Cuf) comme sel de cuivre.L'hexafluoroacétylacétonate de vinyletriméthylcuivre (II) (Cu(hfac)VTMS) est un autre précurseur d'encre.Une expérience pilote a été menée pour voir si le séchage et la décomposition thermique de l'encre entraînent davantage de contamination par le cuivre en raison du transfert de sous-produits chimiques par rapport au séchage et à la décomposition thermique conventionnels.
En utilisant les deux méthodes, deux microcoupons ont été créés et leur microstructure comparée pour déterminer l’effet de la méthode de commutation.Sous une charge de 500 gf et un temps de maintien de 15 s, la microdureté Vickers (HV) a été mesurée au niveau de la section transversale de la zone de fusion de deux échantillons.
Schéma de la configuration expérimentale et des étapes de processus répétées pour la fabrication d'échantillons composites 316L SS-Cu fabriqués à l'aide de la méthode du lit chauffé.Crédit image : Murray, JW et al.Lettres sur la fabrication additive.
Il a été constaté que la conductivité thermique du composite est 187 % supérieure à celle de l'acier inoxydable 316L et que la microdureté est inférieure de 39 %.Des études microstructurales ont montré que la réduction des fissures interfaciales peut améliorer la conductivité thermique et les propriétés mécaniques des composites.Pour un flux de chaleur directionnel à l’intérieur de l’échangeur thermique, il est nécessaire d’augmenter sélectivement la conductivité thermique de l’acier inoxydable 316L.Le composite a une conductivité thermique effective de 41,0 W/mK, soit 2,9 fois celle de l'acier inoxydable 316L, et une réduction de 39 % de la dureté.
Par rapport à l'acier inoxydable 316L forgé et recuit, la microdureté de l'échantillon dans la couche chauffée était de 123 ± 59 HV, soit 39 % de moins.La porosité du composite final était de 12 %, ce qui est associé à la présence de cavités et de fissures à l'interface entre les phases SS et Cu.
Pour les échantillons après chauffage et la couche chauffante, la microdureté des sections transversales de la zone de fusion a été déterminée comme étant respectivement de 110 ± 61 HV et 123 ± 59 HV, soit 45 % et 39 % inférieure à 200 HV pour les matériaux forgés et recuits. Acier inoxydable 316L.En raison de la grande différence de température de fusion du Cu et de l'acier inoxydable 316L, environ 315 °C, des fissures dans les composites fabriqués se sont formées à la suite de la fissuration par fluidisation provoquée par la fluidisation du Cu.
Image BSE (en haut à gauche) et carte des éléments (Fe, Cu, O) après chauffage de l'échantillon, obtenues par analyse WDS.Crédit image : Murray, JW et al.Lettres sur la fabrication additive.
En conclusion, cette étude démontre une nouvelle approche pour créer des composites 316L SS-Cu avec une meilleure conductivité thermique que le 316L SS en utilisant de l'encre de cuivre pulvérisée.Le composite est fabriqué en mettant de l'encre dans une boîte à gants et en la convertissant en cuivre, puis en ajoutant de la poudre d'acier inoxydable par-dessus, puis en mélangeant et en durcissant dans une soudeuse laser.
Les résultats préliminaires montrent que l'encre Cuf-AMP à base de méthanol peut se dégrader en cuivre pur sans former d'oxyde de cuivre dans un environnement similaire au procédé LPBF.La méthode sur lit chauffé pour appliquer et convertir l'encre crée des microstructures avec moins de vides et d'impuretés que les procédures de post-chauffage conventionnelles.
Les auteurs notent que les études futures exploreront les moyens de réduire la taille des grains et d'améliorer la fusion et le mélange des phases SS et Cu, ainsi que les propriétés mécaniques des composites.
Murray JW, Speidel A., Spierings A. et al.Synthèse de composites inox-cuivre 316L par fusion laser.Fiche d'information sur la fabrication additive 100058 (2022).https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2772369022000329
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Surbhi Jain est un rédacteur technologique indépendant basé à Delhi, en Inde.Elle est titulaire d'un doctorat.Il est titulaire d'un doctorat en physique de l'Université de Delhi et a participé à plusieurs activités scientifiques, culturelles et sportives.Sa formation universitaire porte sur la recherche en science des matériaux avec une spécialisation dans le développement de dispositifs et de capteurs optiques.Elle possède une vaste expérience dans la rédaction de contenu, l'édition, l'analyse de données expérimentales et la gestion de projets, et a publié 7 articles de recherche dans des revues indexées Scopus et déposé 2 brevets indiens sur la base de ses travaux de recherche.Elle est passionnée par la lecture, l'écriture, la recherche et la technologie et aime cuisiner, jouer, jardiner et faire du sport.
Jaïnisme, Surbhi.(25 mai 2022).La fusion laser permet la production de composites renforcés d’acier inoxydable et de cuivre.AZ.Récupéré le 25 décembre 2022 sur https://www.azom.com/news.aspx?newsID=59155.
Jaïnisme, Surbhi."La fusion laser permet la production de composites renforcés d'acier inoxydable et de cuivre."AZ.25 décembre 2022 .25 décembre 2022 .
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Jaïnisme, Surbhi.2022. Production de composites inox/cuivre renforcés par fusion laser.AZoM, consulté le 25 décembre 2022, https://www.azom.com/news.aspx?newsID=59155.
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