Термообработка улучшила баланс прочности и пластичности, напечатанной на 3D-принтере алюминиевой бронзы для систем охлаждения электронных компонентов, работающих в экстремальных условиях

Учёные Сколтеха (группа ВЭБ.РФ) совместно с коллегами из Санкт-Петербургского государственного морского технического университета и других научных организаций разработали подход, позволяющий улучшить сочетание прочности и пластичности изделий из алюминиевой бронзы, изготовленных методом 3D-печати.
 
Полученные результаты открывают дополнительные возможности для применения аддитивных технологий при производстве теплообменников и других элементов систем охлаждения, используемых в электронике, работающей в условиях высоких механических и термических нагрузок. Исследование опубликовано в журнале Journal of Alloys and Compounds.
 
«Теплообменник — это устройство, отводящее тепло от процессора или других тепловыделяющих компонентов. Чтобы хорошо справляться со своей задачей, он должен быть изготовлен из материала с высокой теплопроводностью и иметь правильную геометрию, — рассказывает ведущий автор исследования Анастасия Филиппова, аспирантка программы Сколтеха «Математика и механика». — Алюминиевая бронза, напечатанная на 3D-принтере, обеспечивает удачное сочетание тепловых свойств и контроля над геометрией, однако сам процесс печати может приводить к неоптимальным механическим характеристикам. Это особенно важно для электроники, применяемой в ракетах и других аппаратах, подверженных ударным и вибрационным нагрузкам, а также многократным термическим и механическим воздействиям».
 
Алюминиевая бронза представляет собой сплав меди с алюминием и небольшим содержанием железа. По сравнению с чистой медью такой материал лучше подходит для 3D-печати: он менее отражает лазерное излучение и обладает более высокой механической стабильностью. При этом быстрое затвердевание металла в процессе аддитивного производства может приводить к химической неоднородности и формированию неравновесной микроструктуры, что негативно влияет на эксплуатационные характеристики готовых изделий.
 
После анализа образцов с помощью сканирующей электронной микроскопии исследователи подтвердили наличие таких структурных неоднородностей и предположили, что устранить их поможет термическая постобработка.
 
«Однако напечатанные на 3D-принтере материалы всегда несколько отличаются по микроструктуре от того же самого сплава, полученного другими методами. Из-за этого нет гарантий, что проверенный метод вроде термической постобработки сработает. Более того, он может даже ухудшить свойства материала. Или может потребоваться тонкая настройка параметров нагрева — и это как раз наш случай», — говорит научный руководитель исследования, доцент Центра технологий материалов Сколтеха Станислав Евлашин.
 
Поскольку стандартных режимов термообработки для алюминиевой бронзы, изготовленной методом 3D-печати, ранее не существовало, учёные испытали три варианта нагрева. Образцы выдерживали в электропечи при температурах 300, 400 и 500 °C в течение трёх часов, после чего сравнили их свойства с материалом без дополнительной обработки.
 
Исследование показало, что термообработка при 300 °C и 400 °C способствует образованию неравновесных фаз, снижающих пластичность материала. Наиболее эффективным оказался режим с нагревом до 500 °C: он уменьшил химическую неоднородность, обеспечил формирование более стабильной микроструктуры и позволил добиться оптимального баланса прочности и пластичности.
 
Полученные результаты могут способствовать созданию более надёжных теплообменников и других компонентов систем охлаждения для высоконагруженной электроники, используемой в авиационной, космической, транспортной и других высокотехнологичных отраслях.
 
*Источник изображения: Анастасия Филиппова и др.Journal of Alloys and Compounds

Источник: Сколковский институт науки и технологий