关于采用电弧侵蚀线材（AEW）方法制备的铜粉的形成过程及其机械性能的见解

《Powder Technology》：Insights into the formation and mechanical properties of Cu powders prepared with arc erosion of wire (AEW) method

　　

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  通过AWE方法制备了高球形度的铜粉末，其中含有少量的空心粉末。
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  直线喷射方式可以抑制卫星颗粒的形成。
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  冷却气氛在AWE过程中影响空心粉末的形成。
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  快速淬火过程将粉末尺寸与微观结构和硬度联系起来。
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  通过压缩试验揭示了铜粉末的变形机制。

引言

由于铜具有出色的导热性能（385 W/m K）和熔点（1085°C）[1]，它被广泛用于热管理系统中。近年来，随着高功率电子设备、数据中心和电动汽车的快速发展，对高效且紧凑的散热组件的需求大幅增加。基于铜的散热器、散热片和微通道冷却模块在有效去除局部热点热量方面发挥着关键作用，从而确保设备的稳定性和可靠性[2]、[3]、[4]。然而，随着电子设备变得越来越小型化，功率密度持续上升，换热器和冷却组件的几何形状已经发展到高度复杂和集成的结构，这些结构使用传统的机械加工或铸造技术难以制造[5]、[6]。粉末冶金（PM）和增材制造（AM）为制造这种具有优化内部通道和轻量化结构的复杂铜组件提供了有前景的方法[7]、[8]。这些技术能够设计功能性梯度结构，并通过微尺度上的几何形状调整来提高热传递效率[9]、[10]、[11]。

众所周知，PM和AM在纯铜组件中的成功应用在很大程度上取决于原料粉末的质量。赵[12]和Yim[13]等人的研究表明，卫星颗粒和不规则形状的粉末的存在可能会影响打印过程中的流动性及粉末的分布行为，从而对打印组件的性能产生负面影响。Rabin[14]的研究发现，封闭在空心粉末中的气体可能导致诸如孔隙和空洞等缺陷，这些缺陷会损害制造零件的机械性能。此外，Bourell[15]和Zhang[16]发现，适当的粉末粒径分布有助于提高粉末床的激光吸收率，从而提升打印样品的表面质量并促进微观结构的致密化。对于散热器而言，高导热性要求极高的密度和纯度的铜部件，这反过来又需要具有高球形度、狭窄粒径分布、光滑表面形态以及最少卫星颗粒或内部孔隙的粉末[17]。因此，开发高质量的铜粉末对于实现PM和AM制造的散热器的卓越热性能至关重要。

目前，气体雾化[18]、[19]和等离子旋转电极工艺[20]、[21]是常用的铜粉末生产方法。然而，由于雾化环境和液滴破碎路径的复杂性，经常会产生不规则形状、卫星颗粒和空心粉末等问题，这些问题严重限制了金属粉末的质量[22]、[23]。为了满足铜组件在AM和PM中的严格要求，迫切需要具有优异球形度和低氧化性的高质量铜粉末。电线电爆炸（EEW）技术为克服传统粉末制备方法中的挑战提供了一种有前景的替代方案[24]、[25]。利用EEW技术，Y.A. Kotov等人制备了近乎球形、杂质含量低于1 wt%的纳米级陶瓷和金属粉末[26]、[27]、[28]。Q.G. Zhang设计了EEW设备并成功制备了纳米颗粒[29]。A.H. Zhang开发了连续EEW设备，用该设备制备了铝和镍的微米级粉末[30]。尽管EEW在制备金属粉末方面非常有效，但它通常依赖于高压脉冲放电和极高的电流密度。相比之下，我们之前的研究采用了低压电弧放电来连续侵蚀电丝末端并生成熔融液滴，这些液滴随后固化成微米级的粉末[31]。因此，这种被称为电弧侵蚀电丝（AEW）的过程在粉末形成机制上与传统EEW有所不同。

在本研究中，我们使用自设计的AEW设备制备了具有球形、光滑表面、狭窄粒径分布和低卫星颗粒含量的高质量铜粉末。通过结构表征和有限元模拟（FEM）研究了其背后的机制。此外，基于单颗粒压缩试验，还揭示了机械性能与粉末直径和固化结构之间的依赖关系。

章节摘录

粉末制备

在本研究中，我们使用自设计的AEW系统制备铜粉末。使用直径为0.4 mm的T2铜丝进行铜粉末的生产。将铜丝装入送丝装置后，将腔室抽真空至内部压力约为2.0 × 10^?3 Pa。然后向腔室内充入纯度为99.99%的保护气体（Ar或N₂）。该过程重复三次，以尽可能降低氧含量。

结果与讨论

为了评估AEW过程的产率，将收集到的产品筛分到不同的粒度范围内。相对于参与粉末形成的铜丝的质量，粒度范围在<15、15–53、53–105和105–150 μm内的粉末产率分别约为0.9%、17.9%、31.0%和7.9%。此外，还有大量产品粒径大于150 μm，这些产品主要由粗颗粒和未完全雾化的、形态不规则的铜丝组成。

结论

本研究成功地使用电弧侵蚀电丝方法制备了高质量的铜粉末。通过结构表征和FEM模拟，研究了控制粉末形态、空心缺陷形成以及尺寸依赖性机械性能的潜在机制。主要结论如下：

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  AEW方法制备的铜粉末具有光滑的表面、低卫星颗粒含量和低氧含量。熔融物的喷射方向性非常高

作者贡献声明

Fengchen Chen：撰写初稿、进行研究、进行形式分析。Baohang Ling：进行研究、进行形式分析。Chenhui Wang：进行研究。Jintao Luo：进行研究。Bingge Zhao：撰写、审核与编辑、获取资金、进行形式分析、构思。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的、可能影响本文所述工作的竞争性财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了上海自然科学基金（资助编号：23ZR1424100）的支持。

Fengchen Chen|Baohang Ling|Chenhui Wang|Jintao Luo|Bingge Zhao