اتجاهات البحث والتطوير ومشاكل مواد سبائك النحاس المتقدمة
يعد النحاس وسبائك النحاس فئة من المواد الأساسية ذات التطبيقات المهمة. نظرًا للتوصيل الحراري الممتاز، والتوصيل الكهربائي، والمرونة، ومقاومة التآكل وغيرها من الخصائص، يعد النحاس مادة ضرورية في بعض تطبيقات الفضاء والأسلحة والمعدات. في العامين الماضيين، شعرت الصناعة التحويلية بوضوح بنمو الطلب على سبائك النحاس. يقوم المستخدمون الجدد باستمرار بتطوير تطبيقات تصنيع إضافات سبائك النحاس. تحولت المواد أيضًا من برونز القصدير المصبوب سهل التشكيل إلى النحاس النقي وأنواع مختلفة من النحاس عالي القوة وعالي الموصلية. وفقًا لتقرير بحثي، سينمو سوق تصنيع إضافات النحاس العالمية بمعدل نمو سنوي مركب قدره 51% من عام 2019 إلى عام 2027. على الرغم من أنه لا تزال هناك العديد من المشكلات العملية والمواد في طباعة سبائك النحاس، فمن المتوقع أن يكون للنحاس تأثير كبير. مكان في تصنيع المضافات المعدنية. حالة تطبيق مواد سبائك النحاس في الداخل والخارج. مع التقدم السريع للصناعات عالية التقنية، تتطور مواد جديدة في اتجاه الأداء الفائق والنقاء العالي والتكرار العالي. وقد تم اقتراح التكامل والوظيفة والتصغير والموثوقية وما إلى ذلك من المنتجات ذات الصلة. متطلبات أعلى. كمواد موصلة أساسية، يتم استخدام النحاس وسبائك النحاس المتقدمة على نطاق واسع في الإطارات الرصاصية للدوائر المتكاملة واسعة النطاق في صناعة المعلومات الإلكترونية، والإجراءات المضادة الإلكترونية، والرادارات، وأنابيب الموجات الدقيقة عالية الطاقة لمعدات الدفاع الوطني، والمواد الموصلة للمجالات المغناطيسية عالية النبض. ، والأسلاك العلوية للنقل بالسكك الحديدية عالية السرعة، وتعديل تردد الطاقة الكبيرة وتنظيم السرعة، وقضبان توجيه محرك الجر غير المتزامن وحلقات النهاية، وأقطاب اللحام المقاومة، ومواد البطارية، والمواد المرنة لشحن مركبات الطاقة الجديدة، ومبلورات آلة الصب المستمر والفراغ الكهربائي أجهزة للصناعة المعدنية، وجسور الاتصال التبديلية، ومكونات مختلفة للهندسة الكهربائية، والأسلاك، وما إلى ذلك. وفي الوقت الحاضر، قامت العديد من الشركات المصنعة الأجنبية المعروفة لتصنيع المواد المضافة بتضمين مواد نحاسية في كتالوجات منتجاتها. وبشكل أكثر تمثيلاً، نشرت EOS أوراق بيانات للنحاس النقي وCuCrZr في عام 2020، وفي عام 2021 أطلقت إصدارات AMCM (آلة التصنيع المضافة المخصصة) لهذين النوعين من المواد، وهي شركة تابعة لشركة EOS. أطلقت SLM Solutions على التوالي بيانات منتج CuSn10 وCuCrZr. وفي عام 2019، أطلقت الشركة منتجات CuNi2SiCr التي تجمع بين القوة والتوصيل الكهربائي والحراري. يمكن استخدامها في القوالب والمجالات الكهربائية وقد أصبحت منتجًا رائجًا في تصنيع المواد المضافة لسبائك النحاس. أعلنت الشركات المصنعة للمواد TLS Technik، وm4p، وSandvik، وMakin وغيرها من الشركات عن منتجاتها الخاصة بتصنيع سبائك النحاس. في الوقت الحاضر، تتركز مواد النحاس وسبائك النحاس المستخدمة في التصنيع الإضافي في النحاس النقي، وCuSn10، وCuCrZr، وCuNi2SiCr. على الرغم من أن CuNiSn وCuCr وCuCrNb وCuAlFeNi وغيرها من المواد لها أيضًا أبحاث وتطبيقات التصنيع الإضافي ذات الصلة، إلا أن درجة التطبيق ليست عالية مثل الفئات الأربع الأولى من المنتجات. 1. بالمقارنة مع سبائك النحاس، فإن ميزة النحاس النقي هي التوصيل الكهربائي والحراري، لأن سبائك النحاس المختلفة ستفقد حتما التوصيل الكهربائي والحراري بعد إضافة عناصر إلى النحاس. نظرًا لأن النحاس النقي لديه معدل امتصاص منخفض عند الطول الموجي التقليدي 1064 نانومتر، وهو ما يسمى الطول الموجي للضوء الأحمر، ويصعب تحقيق التكثيف، فإن طباعة النحاس النقي كانت دائمًا مشكلة. الحل الحالي هو استخدام أشعة الليزر ذات الطول الموجي القصير، مثل معدات الليزر الأخضر 515 نانومتر من TRUMPF، والآخر هو زيادة الطاقة، مثل معدات AMCM من EOS المجهزة بليزر 1 كيلو وات للطباعة النحاسية النقية. بغض النظر عن نوع المعدات المستخدمة للطباعة، إذا كنت ترغب في الحصول على أجزاء نحاسية نقية ذات كثافة عالية أو موصلية كهربائية وحرارية عالية، فإن مسحوق المادة الخام يحتاج إلى الحفاظ على درجة نقاء عالية مع وجود خصائص المسحوق أيضًا التي تسهل تحقيق التكثيف. ، مثل توزيع حجم الجسيمات وتدفقها بشكل معقول. تتميز بخصائص المتانة الجيدة والكثافة الظاهرية العالية.
فيما يتعلق بإعداد مسحوق النحاس النقي، فإن الحفاظ على درجة نقاء عالية للمواد مع الحفاظ على كروية عالية هو الهدف. 2. CuSn10 CuSn10 هو نوع من برونز القصدير المصبوب الذي يسهل تشكيله. تستخدم العديد من النماذج أو الحرف اليدوية التي تحتوي على مواد نحاسية مادة CuSn10 للطباعة.
تتميز سبيكة CuSn10 بالقوة والمتانة العالية، وتتميز بمقاومة ممتازة للتآكل والتآكل ويمكن استخدامها لتصنيع الأجزاء المقاومة للتآكل مثل الشفرات والتروس. ومع ذلك، فإن موصليته الكهربائية والحرارية ليست عالية، لذلك لا يستخدم CuSn10 بشكل عام لمتطلبات التوصيل الكهربائي أو الحراري. CuSn10 هو منتج تقليدي بين مواد سبائك النحاس المصنعة حاليًا. 3. محرك الصاروخ CuCrZr هو سيناريو تطبيق نموذجي لسبائك النحاس. المتطلبات المادية لبطانات المحرك والأجزاء ذات الصلة مرتفعة للغاية. من ناحية، درجة حرارة الاحتراق في غرفة الاحتراق مرتفعة للغاية (أكثر من 3000 درجة). من ناحية أخرى، فإن ارتفاع درجة الحرارة والضغط العالي والغاز عالي السرعة يؤدي إلى تآكل قوي على المواد. سبيكة CuCr هي سبيكة نحاس نموذجية معززة بالترسيب. يمكن أن تؤدي إضافة عنصر Zr إلى تعزيز ترسيب طور Cr وتحسين توزيع المراحل المترسبة. وفي الوقت نفسه، يمكن لمركب النحاس والزركونيوم المكون من Zr وCu أن يلعب دور تقوية الترسيب. لذلك فإن ميكانيكا سبيكة CuCrZr تتمتع بأداء ممتاز ويمكن استخدامها في تصنيع أجزاء محرك الصاروخ. في السنوات الأخيرة، نفذت وحدات الطيران المحلية الكثير من أعمال البحث والتطوير في مجال التصنيع الإضافي لأجزاء غرفة الدفع لمحرك الصاروخ، وتعد CuCrZr المادة الاختيارية الحالية.
ومن الجدير بالذكر أن مواد سبائك Rockets النحاسية لأجزاء المحرك لا تزال قيد التحديث والتكرار. تم تطبيق CuZr وCuCr وCuAgZr وCuCrNb ومواد أخرى في الأبحاث، وخاصة GRcop-42 (Cu-4Cr-2Nb عند %)، ومن المتوقع ترقية غرفة احتراق المحرك الصاروخي المواد إلى مستوى جديد. 4. أطلقت شركة CuNi2SiCrSLM Solutions منتج مادة سبائك النحاس CuNi2SiCr في عام 2019. هذه المادة عبارة عن سبيكة قابلة للتصلب قابلة للمعالجة بالحرارة ذات قوة عالية ومزيج متوازن من التوصيل الكهربائي والتوصيل الحراري. وفي الوقت نفسه، تشتمل السبيكة على مكونات النيكل والسيليكون وتتميز بمقاومة عالية للتآكل ومقاومة التآكل. CuNi2SiCr في حد ذاته ليس مكونًا جديدًا. تتوافق هذه المادة مع سبيكة C18000 القياسية الأمريكية. أخذت SLM Solutions زمام المبادرة في استخدام هذه المادة للتصنيع الإضافي ونفذت أعمال تحديد المواد والتحقق من المعلمات، مما أضاف عضوًا مهمًا إلى عائلة سبائك النحاس للتصنيع الإضافي. . قوة CuNi2SiCr بعد المعالجة الحرارية أعلى بكثير من قوة CuCrZr والمواد الأخرى. وفي الوقت نفسه، يمكنه الحفاظ على موصلية حرارية معينة وموصلية كهربائية. يمكنها بالفعل تلبية بعض متطلبات تصنيع القوالب ومتطلبات الأجزاء الموصلة، لذلك سيكون لها تطبيقات مهمة في القوالب والمجالات الكهربائية. اتجاهات البحث والتطوير والمشاكل التي تواجهها مواد سبائك النحاس المتقدمة في بلدي (1) اتجاهات البحث والتطوير التكنولوجي في السنوات الأخيرة، حقق المستوى العام لسبائك النحاس عالية الأداء وتكنولوجيا تحضيرها في بلدي تقدمًا كبيرًا، وأنواع سبائك النحاس عالية الأداء استمرت المنتجات ذات حقوق الملكية الفكرية المستقلة في الزيادة. ، المستوى المثبت لمعالجة مواد سبائك النحاس قريب من المستوى المتقدم الدولي. يقدم اتجاه تطوير البحث والتطوير وتصنيع مواد سبائك النحاس المتقدمة الخصائص التالية. (1) من متطلبات الأداء الفردي إلى متطلبات الميزات متعددة الوظائف. على سبيل المثال، ينبغي للمواد القائمة على النحاس ذات الموصلية الحرارية العالية وخصائص التدريع الكهرومغناطيسي العالية أن تلبي الطلب على المواد الموصلة في المجالات عالية الدقة مثل أنظمة المجال المغناطيسي القوي النبضي وأجهزة الإرسال الكهرومغناطيسية المعجلة بالجسيمات؛ خطوط اتصال شبكة الكهرباء للسكك الحديدية عالية السرعة بسرعة 380 كم / ساعة. بالإضافة إلى الموصلية الكهربائية العالية، يجب أن تتمتع أيضًا بقوة أعلى ومقاومة التآكل ومقاومة التعب؛ مطلوب من سبائك النحاس للدوائر المتكاملة واسعة النطاق أن تتمتع بقوة عالية وموصلية عالية ومقاومة للحرارة ومقاومة الانحناء وسهولة النقش وغيرها من الخصائص. (2) تتطور مواد معالجة النحاس في اتجاه الدقة الرفيعة والرفيعة والطويلة والعالية. الطلب على منتجات مثل الأسلاك فائقة الدقة، والشرائط الرفيعة جدًا، والأنابيب ذات الجدران الرقيقة، والأنابيب الطويلة جدًا، والشرائط الطويلة جدًا، والأنابيب الملولبة، والأنابيب ذات الشكل الخاص، والقضبان ذات الشكل الخاص، والشرائط ذات الشكل الخاص، وما إلى ذلك . مستمر في الزيادة. على سبيل المثال، يعكس إطار الرصاص الدبابيس المتعددة والكثافة العالية، واتجاه تطوير الرقاقة الفائقة والتصغير. (3) تنقية عالية من النحاس. تمت زيادة محتوى النحاس في النحاس الصناعي من 99.9% إلى 99.95%، ومن ثم إلى 99.99% أو أعلى، من أجل تعظيم التوصيل الكهربائي والحراري للمادة. النحاس فائق النقاء، الذي يحتوي على 99.999 9% من النحاس، سيقلل من تأثير الشوائب على التوصيل الكهربائي والحراري. (4) مادة مركبة. إن طريقة تقوية مادة واحدة لها إمكانات محدودة، وأصبح استخدام الطرق المركبة لزيادة تحسين الأداء الشامل للمواد النحاسية نقطة بحث ساخنة. على سبيل المثال، تعد إضافة جزيئات المرحلة الثانية أو الشعيرات أو الألياف إلى سبائك النحاس لتقوية مصفوفة النحاس بشكل مركب وتطوير مواد مركبة جديدة متعددة الوظائف تعتمد على النحاس أمرًا ذا أهمية كبيرة لنظرية تصميم سبائك النحاس عالية الأداء والتطبيقات العملية في المجالات عالية الأداء. مجالات التكنولوجيا. قيمة. (2) المشكلات التي تواجهها على الرغم من أن بلدي هو أكبر منتج لمواد سبائك النحاس في العالم، إلا أنه لا يزال ليس دولة قوية في مواد سبائك النحاس. ولا تزال بلادي تعتمد بشكل كبير على واردات سبائك النحاس عالية الأداء، والتي تشتد الحاجة إليها في العديد من مجالات التكنولوجيا الفائقة مثل الفضاء الجوي، والمعلومات الإلكترونية، والهندسة البحرية، والمعدات المتطورة. هناك العديد من شركات إنتاج مواد سبائك النحاس، والتركيز الصناعي المنخفض، وضعف القدرة التنافسية للمنتجات، وأرباح الصناعة الضئيلة. ، غير قادر على دعم تطوير الصناعات ذات التقنية العالية. القضايا الرئيسية المتعلقة بصناعة مواد سبائك النحاس هي كما يلي. (1) هناك عدد قليل من الأصناف والدرجات من مواد سبائك النحاس عالية الأداء. الأداء الشامل لبعض سبائك النحاس عالية الأداء أقل بشكل عام من أداء المنتجات المستوردة المماثلة. على سبيل المثال، فإن درجات شرائح إطار الرصاص Cu-Ni-Si وCu-Cr-Zr التي تم تطويرها وإنتاجها بشكل مستقل منخفضة للغاية. عدد قليل. (2) يجب تحسين القدرة الإنتاجية المستقرة لمنتجات سبائك النحاس كبيرة الحجم وعالية الجودة بشكل عاجل. على سبيل المثال، لا تزال هناك حاجة إلى تحقيق اختراقات في استقرار الأداء وجودة السطح والمنتجات النهائية الشاملة لمنتجات شريط سبائك النحاس المرنة عالية الدقة. (3) تسبب عملية معالجة سبائك النحاس عالية الأداء تلوثًا بيئيًا كبيرًا وإهدارًا خطيرًا للموارد؛ إن تقنية التحضير للعملية القصيرة عالية الكفاءة لم تنضج بعد، ويجب تحسين جودة المنتج وأدائه. (4) إن الافتقار إلى تكنولوجيا التصنيع المستقلة لبعض معدات الإنتاج المتطورة يحد من تطوير منتجات جديدة. على سبيل المثال، تعتمد معظم معدات إنتاج الرقائق عالية الدقة على الواردات. (5) تفتقر بعض مواد سبائك النحاس المتطورة إلى حقوق الملكية الفكرية المستقلة ومنصات البحث والتطوير العامة، ويتخلف بناء قواعد البيانات من حيث خصائص المواد وتكنولوجيا الإنتاج والمعايير والمواصفات. (6) لا تزال تكنولوجيا التحضير المتجانسة كبيرة الحجم ذات النقاء العالي للغاية والنحاس الخالي من الأكسجين المنخفض للغاية بحاجة إلى مزيد من التحسين، كما أن تكنولوجيا التحضير للتآكل عالي الدقة وقطر كبير وطويل العمر- يحتاج النحاس الأبيض المقاوم إلى المزيد من الاختراق. أخيرًا، بالمقارنة مع منتجات مثل التيتانيوم والألومنيوم والسبائك ذات درجات الحرارة العالية، فإن التصنيع الإضافي للنحاس وسبائك النحاس لم ينضج بعد. قدمت EOS مفهومًا مشابهًا لمستوى الاستعداد التكنولوجي (TRL) لمنتجات المواد منذ عام 2019. حاليًا، يتم تصنيف نوعين من المواد النحاسية على أنهما المستوى 3، وهو مستوى التحقق، في حين أن المنتجات مثل IN718 وAlSi10Mg تكون بشكل عام المستوى {{ 86 }}. في هذه المرحلة، تحول التصنيع الإضافي تدريجيًا من التحقق من النماذج إلى تصنيع المنتجات. ستدخل مواد التصنيع المضافة مرحلة اختيار أو تصميم المواد بناءً على التطبيقات. أصبح التكرار المحدث لمواد النحاس وسبائك النحاس أكثر وضوحًا. ومن المتوقع أنه مع التقدم المستمر في العمليات والمواد، سيتم رفع تطبيق التصنيع الإضافي للمواد النحاسية إلى مستوى جديد. (صاحب المادة على الانترنت)
