High-strength copper alloys for indirect additive manufacturing using photolithography

Abstract

Die von der NASA Glenn Research entwickelte ternäre Kupferlegierung GRCop-42 (Cu-4 at.% Cr-2 at.% Nb) ist bekannt für seine bemerkenswerte Festigkeit, Kriechfestigkeit und Leitfähigkeit. Es wurde für den Einsatz in Additive Fertigungsverfahren mit Schmelzprozessen entwickelt, darunter Pulverbettschmelzen und selektives Laserschmelzen. Chrom und Niob verbessern die Festigkeit des Materials durch Ausscheidungshärtung über die intermetallische Phase Cr2Nb. Obwohl Cr2Nb die Eigenschaften von GRCop-42 deutlich verbessert, behindert es auch das drucklose Sintern. Folglich wurden nur wenige Untersuchungen zur sinterbasierten additiven Fertigung unter Verwendung von GRCop-42 durchgeführt, da das drucklose Festkörpersintern von GRCop-42 nicht durchgeführt werden kann. Ziel dieser Studie ist es zu untersuchen, ob die Verwendung zusätzlicher Legierungen oder Elemente das drucklose Flüssigphasensintern in GRCop-42 durch Verbesserung der Benetzbarkeit erleichtern kann. Zu diesem Zweck wurden Kupfer-Zinn Bronze 90/10 und Silber ausgewählt. Diese sollten eine ausreichende Flüssigphase und Kapillarkraft für die Verdichtung liefern. Die Durchbrechung der stabilen Oxidschicht und der Stofftransport über die Flüssigphase konnten sowohl bei der 90/10-Bronze als auch bei Silber erreicht werden. In beiden Fällen unterlag Cr2Nb aufgrund der erhöhten Sauerstoffaffinität von Niob einer Dissoziation durch Oxidation. Dies wurde durch Spuren von Wasser in der Wasserstoff-Sinteratmosphäre aufgrund ihrer erhöhten chemischen Reaktivität ausgelöst. Dies führte zu einer Verschlechterung der Benetzbarkeit der Flüssigphase.

NASA Glenn Research Copper GRCop-42 (Cu-4 at.% Cr-2 at.% Nb) is recognised for its remarkable strength, creep resistance, and conductivity. It was designed for application in fusion-based additive manufacturing methods, including powder bed fusion and selective laser melting. Chromium and Niobium enhance the material's strength through precipitation hardening via the intermetallic phase Cr2Nb. Although Cr2Nb significantly enhances the properties of GRCop-42, it also impedes pressureless sintering. Consequently, limited research has been conducted on sinter-based additive manufacturing utilising GRCop-42, as pressureless solid-state sintering of GRCop-42 is impractical. This study aims to examine whether the incorporation of additional alloys or elements can facilitate pressureless liquid phase sintering in GRCop-42 by enhancing wettability. Copper-Tin 90/10 Bronze and Silver were selected. These should supply adequate liquid phase and capillary force for densification. The disruption of the stable oxide layer and mass transport via the liquid phase could be accomplished for both Bronze 90/10 and Silver. In both instances, Cr2Nb underwent dissociation via oxidation owing to the elevated Oxygen affinity of Niobium. This was induced by trace amounts of water in the hydrogen sinter atmosphere due to its elevated chemical reactivity. This led to a deterioration of the wettability of the liquid phase.