Entwicklung ausscheidungshärtbarer Kupferlegierungen für die additive Fertigung von Hochleistungs-Elektronikbauteilen

von Lintel, Heinrich; Krupp, Ulrich; Jahns, Katrin

doi:10.18154/RWTH-2025-07248

Entwicklung ausscheidungshärtbarer Kupferlegierungen für die additive Fertigung von Hochleistungs-Elektronikbauteilen

von Lintel, Heinrich^RWTH*

2025

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Heinrich von Lintel, M. Sc.

ImpressumAachen : RWTH Aachen University 2025

Umfang1 Online-Ressource : Illustrationen

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2025

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University

Genehmigende Fakultät
Fak05

Hauptberichter/Gutachter
Krupp, Ulrich (Thesis advisor)^RWTH* ; Jahns, Katrin (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2025-08-12

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2025-07248
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/1017256/files/1017256.pdf

Einrichtungen

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

Kurzfassung
Additive Pulverbettverfahren spielen eine zunehmend wichtige Rolle in industriellen Anwendungen. Besonders die Verarbeitung von hochreflektiven Metallen wie der Kupferlegierung CuCr1Zr steht im Mittelpunkt der Forschung. CuCr1Zr zeichnet sich durch eine hohe elektrische Leitfähigkeit in Kombination mit hoher Festigkeit aus. Die additive Fertigung von CuCr1Zr ermöglicht durch ihre Gestaltungsfreiheit und Flexibilität im Materialdesign die Erschließung neuer Anwendungsfelder. Jedoch stellen die hohe Wärmeleitfähigkeit und die geringe Absorptionsfähigkeit von CuCr1Zr eine Herausforderung für den Fertigungsprozess dar. Bisher lag der Schwerpunkt vor allem auf der Optimierung von Herstellungsparametern für das laserbasierte Pulverbettschmelzen (Powder Bed Fusion - Laser Beam / Metal, PBF-LB/M) mit einem roten Laser, sowie auf den mechanischen und elektrischen Eigenschaften von CuCr1Zr. Aspekte wie das Oxidationsverhalten des Pulvers wurden oft vernachlässigt. Diese Arbeit umfasst daher eingehende Untersuchungen zur Pulverproduktion und zum Oxidationsverhalten von CuCr1Zr. Zudem wird die Verarbeitung des Pulvers mittels PBF-LB/M mit einer grünen Laserquelle untersucht und die Anpassung der Materialeigenschaften durch gezieltes Legierungsdesign thematisiert. Das Metallpulver als Ausgangsmaterial für die additive Fertigung wird üblicherweise durch Gaschmelzsverdüsung hergestellt. Für die Charakterisierung dieses Vorgangs wurde die Zerstäubung eines CuCr1Zr-Schmelzstrahls mithilfe einer Hochgeschwindigkeitskamera analysiert, um die Bedingungen für eine primäre und sekundäre Zerstäubung in Abhängigkeit vom Gasdruck zu berechnen. Kalorimetrische Messungen und isotherme Oxidationsexperimente zeigten, dass in Stickstoffatmosphäre bei Raumtemperatur erste Oxidationserscheinungen nach 42 Tagen auftreten. Das Oxidwachstum folgt einem logarithmischen Verlauf, der durch die Bildung und Umwandlung von Cu2O zu CuO geprägt ist. Ein Ansatz zur Verbesserung der Verarbeitbarkeit von Kupfer und seinen Legierungen in der additiven Fertigung liegt in der Verwendung eines grünen Lasers mit einer Wellenlänge von 530 nm. Im Rahmen dieser Arbeit wurden mittels statistischer Versuchsplanung geeignete Fertigungsparameter für die PBF-LB/M-Verarbeitung von CuCr1Zr mit einem grünen QCW-Laser (quasi-continuous wave-Laser) ermittelt. Dabei wurde eine maximale relative Dichte von 99,6 % einer Laserleistung von 125 W, einer Scangeschwindigkeit von 400 mm/s und einem Hatchingabstand von 100 µm erreicht. Die Untersuchung zeigte eine starke Abhängigkeit der relativen Dichte von der Laserleistung und dem Hatchingabstand. Durch ein gezieltes Legierungsdesign bietet die additive Fertigung von CuCrZr neue Möglichkeiten, das Verhältnis von Festigkeit zu elektrischer Leitfähigkeit zu optimieren. In umfangreichen Untersuchungen wurde daher der Einfluss variierender Massenanteile von bis zu 2 % (Massenanteil) Chrom auf das Eigenschaftsprofil und den Erstarrungsprozess von CuCrZr analysiert. Die Berechnung der Temperaturverteilung unter Verwendung eines grünen Lasers zeigte hohe Abkühlraten von bis zu 5,5 ⋅ 106 °C/s. Diese ermöglichen eine Unterkühlung von bis zu 175 °C für CuZr und 70 °C für CuCrZr, wobei die Unterkühlung infolge schmaler Dendritenspitzen (Krümmungsunterkühlung) mit Radien von bis zu 401 nm maßgeblich geprägt wird. Die hohen Abkühlraten führen zur Bildung einer feinkörnigen Mikrostruktur, die durch Versetzungszellen mit einem Durchmesser von 600 nm bis 700 nm prägt, ist. Nach einer Auslagerung bei 480 °C über zwei Stunden wurden die maximalen Festigkeiten erreicht. Für CuCr2Zr wurden dabei eine Festigkeit von bis zu 696 MPa und eine elektrische Leitfähigkeit von 32,2 MS/m gemessen. Die Analyse mittels Atomsondentomografie zeigte, dass vor allem Chrom-Ausscheidungen mit einem durchschnittlichen Radius von 5 nm während der Auslagerung gebildet worden sind.

Additive powder bed fusion processes play an increasingly important role in industrial applications. The processing of highly reflective metals such as the copper alloy CuCr1Zr is a focal point of current research. CuCr1Zr is characterized by high electrical conductivity combined with excellent mechanical strength. The additive manufacturing of CuCr1Zr offers new application opportunities thanks to its design freedom and flexibility in material customization. However, the high thermal conductivity and low absorptivity of CuCr1Zr present challenges for the manufacturing process. Previous research has primarily focused on optimizing manufacturing parameters for the well-established Laser Powder Bed Fusion (PBF-LB/M) with a red laser, and on analyzing the mechanical and electrical properties of CuCr1Zr. In contrast, aspects such as the oxidation behavior of the powder have often been overlooked. This study therefore includes comprehensive investigations into the powder production and the oxidation behavior of CuCr1Zr. Furthermore, the processing of the powder using PBF-LB/M with a green laser source is examined and, the tailoring of material properties through targeted alloy design is addressed. Metal powders for additive manufacturing are typically produced via gas atomization. In this context, the atomization of a CuCr1Zr molten jet was analyzed using high-speed imaging to calculate the conditions for secondary atomization as a function of gas pressure. Calorimetric measurements and isothermal oxidation experiments revealed that initial signs of oxidation appear after 42 days in a nitrogen atmosphere at room temperature. The oxide growth follows a logarithmic trend, characterized by the formation and transformation of Cu2O to CuO.A promising approach to improving the processability of copper and its alloys in additive manufacturing involves using a green laser with a wavelength of 530 nm. In this study, suitable processing parameters for PBF-LB/M of CuCr1Zr with a green quasi-continuous wave laser (QCW laser) were determined through design of experiments. A maximum relative density of 99,6 % was achieved at a laser power of 125 W, a scanning speed of 400 mm/s, and a hatching distance of 100 µm. The study demonstrated a strong dependence of relative density on laser power and hatching distance. By leveraging targeted alloy design, additive manufacturing of CuCrZr offers new opportunities for optimizing the strength-to-conductivity ratio in high-performance materials. Extensive investigations were conducted to analyze the influence of varying chromium concentrations (0 wt.-% to 2 wt.-%) on the property profile and solidification process of CuCrZr. Temperature distribution calculations using a green laser revealed high cooling rates of up to 5.5 x 106 °C/s, which promote significant undercooling of up to 175 °C for CuZr and 70 °C for CuCrZr, with curvature undercooling being the dominant factor. These high cooling rates result in the formation of a fine-grained microstructure characterized by dislocation cells with diameters between 600 nm and 700 nm. After aging at 480 °C for two hours, maximum strength was achieved. For CuCr2Zr, a strength of up to 696 MPa and an electrical conductivity of 32.2 MS/m were measured. Atom probe tomography revealed chromium precipitates with an average radius of 5 nm.

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