Properties of Pulsed Electric Current Sintered Copper and Copper Composites

Loading...
Thumbnail Image
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
School of Chemical Technology | Doctoral thesis (article-based) | Defence date: 2014-05-23
Checking the digitized thesis and permission for publishing
Instructions for the author
Date
2014
Major/Subject
Mcode
Degree programme
Language
en
Pages
124 + app. 59
Series
Aalto University publication series DOCTORAL DISSERTATIONS, 53/2014
Abstract
This work focuses on the processing and properties of Cu-based materials by the non-conventional and innovative method of pulsed electric current sintering (PECS), also known as spark plasma sintering (SPS). In particular, the aim is to produce materials with fine microstructures and determine the relationships between the manufacturing and the resulting properties of the bulk compacts. This includes process optimization to provide dense samples with controlled microstructures, in terms of grain size and reinforcement distribution, as well as an investigation on the properties of the final materials. The mechanical, nanomechanical, thermal, electrical, and tribological properties are of main interest.  The experimental studies employed commercial and experimental powders and their mixtures as the starting materials for consolidation. The PECS process optimization yielded highly dense Cu and Cu-composite samples, mostly ranging between 97.0 and 99.7% of theoretical density (T.D.). Overall, the studied additives, their size, amount, and distribution in Cu matrixes resulted in a variety of influences on their properties. It was found that all the dispersoids decreased the tendency of grain growth during PECS process. Furthermore, a linear relationship between Cu and Cu2O grain growth was observed. Cu2O prevented grain growth of Cu, the effectiveness increasing up to about 20 vol% Cu2O remaining at the same level beyond that. The hindrance of Cu grain growth by Cu2O could be described by the cluster model of Flores. All of the reinforcements in the present study, such as Cu2O, Al2O3, TiB2 and nano/submicron-sized diamond (ND/SMD), were found to noticeably improve the micro-hardness compared to plain sm-Cu (submicron-sized copper). Large amount of small size reinforcements is the most effective. At best, these composites also resulted in improved thermal properties, moderate electrical conductivity, lower CoFs (coefficient of friction) and a reduced wear rate as compared to plain Cu. However, the properties greatly depended on the composite type and do not as such present general rules. The comparison between the PECS and HIP processes and the accompanied properties verified that the shorter time needed for proper densification by PECS resulted in finer grain structure and improved mechanical properties as compared to HIP. Overall, this study shows that PECS can be used to produce high quality Cu-composites with superior properties when compared to those of sm-Cu. On the whole, this research is supportive of the development of new alternative Cu-based materials for various applications, where enhanced thermal properties together with excellent mechanical properties are desired.

Työn tavoitteena on määrittää kuparipohjaisten materiaalien ominaisuudet kiinteytettäessä niitä pulssitettua tasavirtaa hyödyntävällä sintraustekniikalla (PECS), tunnettu myös kipinäplasmasintraustekniikkana (SPS). Pyrkimyksenä on tuottaa materiaaliin hienojakoinen mikrorakenne ja ymmärtää ominaisuuksiin vaikuttavien prosessimuuttujien sekä niihin yhteydessä olevien materiaalikoostumuksien vaikutuksia. Tutkimuksessa optimoidaan prosessiparametreja tiiviiden ja mikrorakenteeltaan tasalaatuisten bulkkinäytteiden aikaansaamiseksi sekä määritetään niiden ominaisuuksia. Erityisesti tarkastellaan mekaanisia, nanomekaanisia, termisiä, sähköisiä ja tribologisia ominaisuuksia. Kiinteytyksessä lähtöaineina käytettiin sekä kaupallisia että kokeellisesti valmistettuja jauheita ja niiden kombinaatioita. Prosessioptimoinnin tuloksena saavutettiin teoreettiseen tiheyteen verratessa 97.0 - 99.7% tiiviitä kappaleita, joissa materiaaliominaisuuksiin vaikuttivat sekä lujitetyyppi ja -määrä että lujitepartikkeleiden koko ja jakauma. Kaikki lujitetyypit hidastivat kuparin rakeenkasvua PECS -prosessoinnissa. Lisäksi raekoon kasvu kuparin ja kupriitin (Cu2O) välillä noudatti lineaarista riippuvuutta. Cu2O:n raekoon kasvua kontrolloiva vaikutus kasvoi 20 til.% asti, säilyen samalla tasolla tämän jälkeen. Kuparin rakeenkasvu Cu2O:n vaikutuksesta voitiin mallintaa Florensin 'klustereihin' perustuvan mallin avulla. Kaikki lujitteet, ts. Cu2O, Al2O3, TiB2 sekä nano/submikronin kokoiset timanttipartikkelit, paransivat kovuutta verrattuna raekooltaan submikronin luokkaa olevaan puhtaaseen kupariin (sm-Cu). Kuten odotettua, pienempi koko ja suurempi lujitemäärä tehostivat vaikutusta. Parhaimmillaan lujitteet kohensivat sekä termisiä että tribologisia ominaisuuksia. Lisäksi sähköiset ominaisuudet säilyivät kohtuullisina. Ominaisuudet riippuivat kuitenkin merkittävästi lujitetyypistä. PECS -menetelmän avulla saavutettuja materiaaliominaisuuksia verrattiin HIP:n vastaaviin. Tulokset osoittivat, että tiiviiden kappaleiden aikaansaamiseksi HIP -menetelmällä vaadittiin pidempi aika, mikä johti merkittävämpään raekokoon kasvuun ja sen myötä heikompiin mekaanisiin ominaisuuksiin. Tutkimus osoittaa, että PECS -menetelmällä voidaan tuottaa laadukkaita Cu-komposiitteja, jotka ovat ominaisuuksiltaan selkeästi parempia kuin puhdas PECS kiinteytetty sm-Cu. Tutkittuja materiaaleja voidaan pitää huomioon otettavina vaihtoehtoina käyttökohteissa, joissa vaaditaan hyviä lämpöteknisiä ja kuparia parempia mekaanisia ominaisuuksia.
Description
Supervising professor
Hannula, Simo-Pekka, Prof., Aalto University, Department of Materials Science and Engineering, Finland
Thesis advisor
Hannula, Simo-Pekka, Prof., Aalto University, Department of Materials Science and Engineering, Finland
Keywords
pulsed electric current sintering, copper, metallic matrix composites, microstructure, dispersion strengthening, mechanical properties, thermal properties, tribological properties, electrical properties, sintraus tasavirtapulssien avulla, PECS, SPS, kupari, metalli matriisi komposiitit, mikrorakenne, mekaaniset ominaisuudet, lämpötekniset ominaisuudet, tribologiset ominaisuudet, sähkönjohtavuus
Other note
Parts
  • [Publication 1]: R. Ritasalo, M. E. Cura, X.W. Liu, O. Söderberg, T. Ritvonen, S-P. Hannula, Spark plasma sintering of submicron-sized Cu-powder - influence of processing parameters and powder oxidization on microstructure and mechanical properties, Materials Science & Engineering A, 527 (2010) 2733- 2737.
  • [Publication 2]: R. Ritasalo, X.W. Liu, O. Söderberg, A. Keski-Honkola, V. Pitkänen, S-P. Hannula, The microstructural effects on the mechanical and thermal properties of pulsed electric current sintered Cu-Al2O3 composites, Procedia Engineering, 10 (2011) 124-129.
  • [Publication 3]: R. Ritasalo, M.E. Cura, X.W. Liu, Y. Ge, T. Kosonen, U. Kanerva, O. Söderberg, S-P. Hannula, Microstructural and mechanical characteristics of Cu-Cu2O composites compacted with pulsed electric current sintering and hot isostatic pressing, Composites Part A: Applied Science and Manufacturing, 45 (2013) 61-69.
  • [Publication 4]: R. Ritasalo, U. Kanerva, Y. Ge, S-P. Hannula, Mechanical and thermal properties of pulsed electric current sintered (PECS) Cu-diamond -compacts, Metallurgical and Materials Transaction B, 45 (2) (2014) 489-496.
  • [Publication 5]: R. Ritasalo, U. Kanerva and S-P. Hannula, Thermal stability of PECS - compacted Cu-composites, Key Engineering Materials, 527 (2013) 113-118.
  • [Publication 6]: R. Ritasalo, M. Antonov, R. Veinthal, S-P. Hannula, Comparison of the wear and frictional properties of Cu matrix composites prepared by pulsed electric current sintering, Proceedings of the Estonian Academy of Sciences, 63 (1) (2014) 62-74.
Citation