研究分析热处理对激光粉末床熔覆制备CuCrZr组织和性能的影响

       本文采用激光粉末床熔合技术制备了 CuCrZr 合金。在最佳成型工艺条件下，获得了相对密度为 99.7%的样品，并对其微观结构和性能进行了分析。为了提高铜合金的力学性能，对样品进行了固溶时效和直接时效热处理。研究并分析了微观结构和力学性能、热导率和电导率的变化及影响机制。通过直接时效热处理可以获得大量的 Cr 纳米沉淀，显著改善了合金的性能。在 450°C 时效温度下获得的最佳综合性能为：显微硬度 168.7 ± 3.1 HV，极限抗拉强度 481.7 ± 7.6 MPa，电导率 73.9 ± 0.9 %IACS，热导率 314.3 ± 5.3 W/(m·K)。

【亮点】

（1）通过激光粉末床熔化（红外激光）可制备相对密度高达 99.7%的 CuCrZr 合金

（2）在最佳热处理条件（450°C 保温 4 小时）下，CuCrZr 合金样品的硬度和极限抗拉强度分别为 168.7 ± 3.1 HV 和 481.7 MPa

（3）热处理后的 CuCrZr 合金的电导率为 73.9 ± 0.9% IACS，热导率为 314.3 ± 5.3 W/(m·K)

【背景】

       铜合金因其优异的导电性和导热性、耐磨性和抗爆性、耐腐蚀性等优良性能，在各种电子信息、航空航天和汽车制造领域得到了广泛应用。高强度高导电性的 CuCrZr 合金依靠沉淀强化原理，不仅获得了优异的力学性能，还具有良好的导电性和导热性，在各个领域具有广阔的应用前景。目前，CuCrZr 合金主要通过传统铸造工艺成型。随着对复杂结构件需求的增加，传统加工方法难度加大，迫切需要寻找新的加工成型方法。激光粉末床熔合（LPBF）技术是以激光为热源的基于粉末床铺粉的增材制造（AM）技术。它具有复杂结构一体化成型、成型精度高和力学性能好等特点。减少了材料的浪费，提高了制造效率。可用于 CuCrZr 合金的成型。

       增材制造在成型复杂结构方面越来越受到关注，但应用于 AM 技术的铜合金研究相对较少。这主要是由于铜及其合金良好的导热性和高反射率，特别是对于波长为 1064nm 的红外光，吸收效率极低，成型困难。一些作者研究了涂层对 Cu 和 CuCr 合金粉末的影响，以提高激光能量吸收效率。尽管这种方法有效地降低了激光反射率，从而降低了熔化粉末所需的能量密度。然而，Sn 涂层和 Ni 涂层最终都会对力学性能产生一定影响。一些研究人员发现，CuCrZr 合金具有较高的激光吸收率，可通过 LPBF 技术制备致密零件。科研人员通过调整工艺参数，采用 LPBF 技术制备了 CuCrZr 合金，获得了相对密度为 97.65%的合金，发现扫描速度和扫描间距的相互作用会影响样品的相对密度。人们制备了高密度的 CuCrZr 合金，通过对不同热处理工艺的研究，大大提高了 CuCrZr 合金的性能。硬度可达 200 HV1，热导率可达 300 W/(m·K)，但未研究样品的电导率。通过选择性激光熔化制备了相对密度为 99.5 ± 0.3%的 CuCrZr 合金，打印态强度为 280 ± 6 MPa，伸长率为 23.4 ± 0.4%，分析认为样品优异的力学性能主要归因于微观结构中析出的纳米沉淀和孪晶，但未研究热处理后的样品。然而，在实际应用中，如火箭推力室的使用，不仅需要良好的力学性能，还需要优异的热导率。关于这方面的研究相对较少。

       在这项工作中，优化了 LPBF 成型工艺以获得高相对密度的合金部件，随后进行热处理研究，以获得力学、热学和电学性能的强化机制。为此，首先进行了工艺参数的研究。确定了致密部件的工艺窗口，并获得了工艺参数对部件质量的影响关系。致密部件是获得优异性能的前提。使用电子背散射衍射（EBSD）、扫描电子显微镜（SEM）、能量色散 X 射线光谱（X-EDS）和透射电子显微镜（TEM）对样品的微观结构进行了表征。采用维氏硬度和拉伸试验表征力学性能，采用涡流测量确定电学性能，采用激光热导率测量确定热性能。随后深入研究了热处理后 LPBF 成型部件的表面微观结构变化和相形成的影响。重点是直接时效（DAH）热处理，通过 DAH 热处理控制沉淀行为，从而获得优异的综合性能。

【图文】

       金属粉末的形貌、化学成分、粒度分布和流动性是后续打印成型质量的重要因素。在本实验中，采用气体雾化法制备了 CuCrZr 金属粉末。气体雾化粉末是一种高速、高压惰性气体流迅速冲击金属液，使其分离并凝结成微小颗粒。使用 X 射线荧光光谱仪（XRF）分析了 CuCrZr 合金粉末的成分。粉末的流动性使用霍尔流量计测量为 24 s/50 g，流动性良好，松装密度为 4.2 g/cm3 。

图1. （a）CuCrZr 合金粉末的表面形貌和（b）粒度分布

图2. LPBF 成型扫描策略图

图3. （a-b）实际密度与扫描速度和扫描间距的关系，（c）合金的相对密度与能量密度的关系

图4. 不同能量密度下 CuCrZr 合金的缺陷形貌，440.5 J/mm3（a）；308.3 J/mm3 （b）；224.2 J/mm3 （c）；146.8 J/mm3 （d）以及不同相对密度下的 X 射线 CT 测试图像：（e）相对密度 96.3%，（f）相对密度 99.7%

图5. LPBF 制备的 CuCrZr 合金样品在不同平面的 SEM 图像：（a）XOY 平面；（b）XOZ 平面；（c-d）XOY 平面 EBSD 取向分析和晶粒尺寸分布

图6. 不同热处理后 SEM 下 CuCrZr 合金的微观结构形貌：（a）LPBF 制备；（b）SA + AH；（c）DAH（450°C/2 小时）

图7. 不同热处理后 CuCrZr 合金表面的定性 EDS 分析 SEM 图像

图8. 450°C 时效 4 小时的 Cu-Cr-Zr 合金的 TEM 图像。（a）暗场图像；（b）（a）的 EDS 图像；（c）（a）中 Cr 相范围的 EDS 分析；（d）（a）的选区衍射图案（SADP）；（e）HRTEM；（f）（e）中虚线框的 HRTEM

图9. （a–c）EBSD 取向图，（d–f）晶粒尺寸分布，（a，d）LPBF 制备，（b，e）SA + AH，（c，f）DAH

图10. （a）不同热处理后 CuCrZr 合金的 XRD 图谱；（b）较高衍射角的 XRD 放大图

图11. （a-c）不同温度和保温时间下 CuCrZr 合金的应力 - 应变曲线，（d）不同温度和保温时间下的显微硬度

图12. 不同 DAH 保温时间和温度热处理后 CuCrZr 合金的电导率和热导率曲线：（a）电导率；（b）热导率；（c）热和电子传导示意图

【结论】

       在本研究中，采用 LPBF 技术制备了 CuCrZr 合金。对其微观结构、力学性能、电导率和热导率进行了详细研究。得出以下结论：

     （1）采用控制变量法调节激光扫描速度和扫描间距，研究其对实际密度的影响。最佳工艺参数为：激光功率 370 W、扫描间距 100 μm、粉末层厚度 30 μm、扫描速度 400 mm/s。制备了相对密度为 99.7%的合金试样。

     （2）LPBF 成型试样的 XOY 平面的晶粒形状不规则，晶粒尺寸在 10 μm 至 60 μm 之间变化。XOZ 平面形态表明表面柱状晶在成型方向上通过成型层生长，晶粒尺寸较大，平均长度和宽度分别约为 250 μm 和 30 μm。通过 EBSD 对 XOY 平面的分析表明，晶粒呈现出选择性取向，优先沿<110>方向生长，这也是成型方向。

     （3）经过 SA + AH 热处理后，发现 CuCrZr 合金的微观结构中熔池边界消失，Cr 沉淀相在晶界处聚集，DAH 处理可以抑制粗相的生成，并促进纳米级精细 Cr 相的沉淀。

     （4）证明了直接时效强化工艺路线产生了大量的纳米级 Cr 沉淀相，显著提高了合金的性能。在 450°C 时效温度和 4 小时保温时间下，获得了最佳综合性能：显微硬度 168.7 ± 3.1 HV，极限抗拉强度 481.7 ± 7.6 MPa，电导率 73.9 ± 0.9 %IACS，热导率 314.3 ± 5.3 W/(m·K)。

来自：铜加工研究