В «Сколтехе» освоили 3D-печать из медных сплавов для силовой электроники

Исследовательская группа, в которую вошли специалисты «Сколтеха» и ряда российских и индийских научных центров, успешно адаптировала технологию 3D-печати для работы с алюминиевой бронзой. Этот сплав представляет особый интерес для создания узлов, подвергающихся экстремальным температурным нагрузкам — например, корпусов для силовой электроники и высокоэффективных теплообменников.

Алюминиевая бронза сочетает в себе отличную теплопроводность и пригодность к аддитивным технологиям, однако процесс её печати сопряжен с технологическими трудностями. Высокая отражательная способность материала в сочетании с быстрым отводом тепла часто приводит к возникновению дефектов: пор несплавления и пористости типа «замочной скважины».

В ходе экспериментов ученые подбирали оптимальную плотность энергии, варьируя мощность лазерного излучения и скорость сканирования. Выяснилось, что при недостаточной мощности в структуре материала доминируют поры несплавления, тогда как при избыточной — поры, характерные для режима «замочной скважины». Во всех исследованных режимах уровень пористости удалось удержать на отметке около 5%.

Несмотря на сохранение остаточной пористости, полученные образцы продемонстрировали механические свойства, превосходящие показатели классического литья из алюминиевой бронзы. В частности, предел прочности достигает 748 МПа, а относительное удлинение — до 16,2%.

Значительная часть работы была посвящена анализу фазового состава материала. Благодаря сверхбыстрой кристаллизации удалось выявить фазы, нехарактерные для равновесного состояния сплава. Исследователи обнаружили, что повышение плотности энергии способствует уменьшению доли фазы, отвечающей за твердость и прочность, но при этом негативно влияющей на электро- и теплопроводность.

Замеры теплопроводности показали, что образцы, напечатанные при высокой плотности энергии, достигают 47 Вт/(м·К) при комнатной температуре. Это значение практически сопоставимо с показателями литых аналогов, но при значительно более высоких прочностных характеристиках. Подобный баланс позволяет создавать детали сложной геометрии методом селективного лазерного плавления, которые превосходят традиционные литые компоненты по ряду параметров.

Авторы исследования выявили прямую взаимосвязь между плотностью дислокаций, теплопроводностью и электропроводностью материала. Данное открытие позволяет инженерам прогнозировать итоговые физические свойства изделия еще на этапе настройки параметров лазерной 3D-печати.