顶刊《AM》：增材制造Cu-H13工具钢（二）(2)
时间：2022-06-16 15:51 来源：江苏激光联盟 作者：admin 阅读：次
3.4.多金属结构的热导率
单一材料的热阻由等式给出,其中R是热阻，x是材料的厚度，k是热导率，A是垂直于热流方向的横截面积。对于彩图19a，总热阻可以用等式
导热系数的实验测量是用稳态绝对技术进行的 (图19b)。导热系数的经验计算可以用等式表示。其中Q是流经MMS的热量，L是两个热电偶T1和T2之间的距离。
Cu-D22-H13导热系数的理论计算值为55.19 W/m-K。理论计算是在由每种材料的3 mm厚部分组成的Cu-D22-H13 mm上进行的。实验结果显示Cu-D22-H13 MMS具有43.1 W/m-K的热导率与纯H13相比，用D22将Cu结合到H13上，总热导率增加了100 %。然而，当这三种材料具有相同的体积时，就会得到这个结果分数(每种材料3 mm厚)。需要注意的是，铜的体积分数会显著影响整体导热率，如图19c。随着Cu体积分数的增加，热导率呈正趋势，趋势为当Cu达到某一分数(∼70 %)时更尖锐。在较低的Cu百分比下，MMS的整体导热性减弱但仍比纯H13高100 %至200 %。为了最大化整体导热性，在模具中应设计有褶皱的Cu体积。然而，为了保证模具的足够的强度、耐磨性和耐腐蚀性，铜的量是有限的。
图15 拉伸断裂Cu-D22-H13 mm的电子图像和EDS图。(a)断裂区域和(c)Cu-D22界面处材料的电子图像。(b) Cu在断裂区域，(d) Cu和(e) Ni在Cu-D22界面的EDS图。
图16.拉伸断裂D22-H13 DJ的电子图像和EDS图。材料在(a)断裂区域和(c)D22-H13界面的电子图像。(b) Ni在断裂区域，(d) Ni和(e) Fe在D22-H13界面的EDS图。
图17.(a) Cu-D22-H13 MMS和(b) D22-H13 DJ的拉伸断裂形态。
图18.Cu-H13 DJ和Cu-D22-H13 mm的维氏硬度测量
图19.(a)通过MMS的热流示意图；(b)用于热导率测量的稳态方法示意图；(c)Cu-D22-H13 mm中的Cu体积分数对总热导率的影响。
4.结论
为了使用DED技术将Cu与H13结合，两个在本研究中，设计了用于制造MMS的实验类型:在H13上直接沉积Cu，并且经由Ni基D22多层中间层。基于微观结构表征、机械和热测试，可以得出以下重要结论。
(1)在H13上直接沉积Cu会由于凝固开裂和由于CTE差异导致的高残余应力的组合效应而导致开裂。通过使用Ni合金D22作为中间层，无缺陷的Cu可以成功地沉积在H13上。
(2)EDS分析表明元素含量在D22-H13界面经历了急剧的转变，表明较少的层间扩散(20微米距离)。然而，在Cu-D22界面上观察到铜和镍含量的转变，揭示了更多连续元素扩散。Ni和Cu含量的整个跃迁跨越了800微米距离。
(3)在Cu-D22-H13 MMS上进行的拉伸测试显示0.2%的YS187.2兆帕和241.1兆帕的UTS。DIC技术揭示变形主要发生在Cu区。Cu-D22-H13多晶合金在Cu区断裂，表现出韧性断裂机制。D22-H13 DJ有0.2 %YS和UTS分别为465.29兆帕和663.47兆帕。尽管试样在D22区断裂，但伸长主要位于H13区。对于这两种类型的样本，多种材料的界面幸存，表明一个强大的结合强度。
(4)由于激光硬化，在基底表面附近观察到硬度增加，比基底金属的硬度高三倍。在Cu-H13 DJ的界面处硬度急剧下降，但是当引入D22 as时，硬度逐渐下降中间层。
(5)热导率测量表明，与纯H13相比，Cu-D22-H13 MMS的热导率提高了约100 %。Cu的体积分数会显著影响总体热导率，并且通过增加Cu-D22-H13 mm中的Cu体积，热导率有正趋势。
文章来源：Additive Manufacturing 36 (2020) 101474,Additive manufacturing of copper–H13 tool steel bi-metallic structures via Ni-based multi-interlayer,https://doi.org/10.1016/j.addma.2020.101474
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