简介：

本文针对激光粉末床熔化（L-PBF）制备铜合金存在的缺陷问题，通过正交实验研究工艺参数和热处理对Cu-Cr-Si合金组织与性能的影响。确定最佳工艺参数为激光功率450-475W、扫描速度400-500mm/s、hatch间距45μm、粉末层厚度30μm，能制得近全密度样品。经500℃/45min直接时效处理后，合金电导率达63% IACS，抗拉强度达686MPa，性能显著提升，为高性能Cu-Cr-Si合金的增材制造提供理论指导。

背景：

在材料科学领域，铜及铜合金因具备优良的导电和导热性能，在诸如制造散热器、热交换器以及火箭发动机等方面有着广泛应用。传统制备高性能铜合金的方法，如铸造和热机械处理，存在切削量大、材料利用率低和生产周期长等弊端。激光粉末床熔化（L-PBF）技术作为一种新兴的增材制造技术，以高强度激光为能量源，通过逐层熔化粉末来构建复杂结构零件，同时其高速熔化和凝固过程可显著细化晶粒，在制备铝合金、钛合金和不锈钢等方面已得到广泛应用。然而，由于铜对激光的高反射率，使得采用L-PBF技术制备铜合金时面临诸多挑战，如粉末难以完全熔化，易产生未熔合、孔隙等缺陷，且不当的工艺参数、扫描策略以及不合适的基板材料，会导致零件内部出现孔隙、裂纹、翘曲和分层等问题。因此，探索利用L-PBF技术制备高性能、低缺陷铜合金的有效途径具有重要意义。

近日，以Xin Bu为第一作者等人发表了题为“Effect of process parameters and heat treatment on the microstructure and properties of a Cu-Cr-Si alloy manufactured by laser powder bed fusion”的研究成果于Materials Science & Engineering A期刊上，聚焦于激光粉末床熔化技术制备Cu-Cr-Si合金，深入探究了工艺参数和热处理对其组织与性能的影响，为高性能铜合金的增材制造提供了关键理论支持。

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一、实验过程

（一）合金粉末特性

本研究选用的Cu-Cr-Si合金粉末，其化学组成主要包含Cr（1.60wt.%）、Si（0.15wt.%）、Mg（0.06wt.%）等元素，余量为Cu，并含有少量其他元素（Me，0.028wt.%）。该粉末呈现出高球形度和良好的流动性，经Houle流量计测定，其流动性为17s/50g。利用扫描电子显微镜（SEM）对粉末形貌进行表征（图1），结果显示粉末主要由Cu、Cr、Si和Mg组成，元素分布均匀，无明显偏析现象，平均粒径为 27.95μm。

图1.Cu-Cr-Si合金粉末形貌及尺寸分布的SEM图像。（a）粉末形貌；（b）粉末尺寸；（c）Cu元素分布；（d）Cr元素分布；（e）Si元素分布；（f）Mg元素分布。

（二）实验方法与性能表征

在进行增材制造前，将粉末置于DZ-2BCII真空干燥炉中，在110℃下干燥5h，以去除粉末中的水分。为防止成型零件发生翘曲，选用尺寸为116×116×20 ~mm3的H62黄铜作为基板，并对基板表面进行喷砂处理，以增强成型零件与基板之间的结合力。实验采用Farsoon Technologies Co.,Ltd.生产的FS121M Printer进行L-PBF打印，该设备激光光斑直径为55μm，最大功率为500W。打印过程在高纯度氮气保护下进行，其中设置了五组激光功率（250W、300W、350W、400W、450W、475W）和六组扫描速度（400mm/s、500mm/s、600mm/s、700mm/s、800mm/s），hatch间距固定为45μm，层厚为30μm，扫描策略采用Z-scan模式且层间旋转90°。制备的样品尺寸为长27mm、宽12mm、厚7mm。

图2.已完成的Cu-Cr-Si合金样品和L-PBF工艺。(a)工艺参数和已完成的样品；(b)打印策略示意图。

对经峰值时效处理后的最优样品，在INSTRON 5982测试仪上以0.5mm/min的拉伸应变速率进行拉伸测试，拉伸试样总长度为26mm，标距长度为8mm，宽度为3.2mm，厚度为1.5mm。采用阿基米德排水法测量样品实际密度，通过公式

relative=

actual/

theoretical计算相对密度；利用维氏硬度计在样品X-Y表面进行硬度测量，加载载荷为2000g，保载时间10s，每个样品在X-Y表面至少测量7个位置，去除最高和最低值后，取剩余测量值的平均值作为记录硬度；使用D60K数字金属电导率仪在样品X-Y表面测量电导率；借助配备电子背散射衍射（EBSD）探测器的扫描电子显微镜分析样品X-Z平面的晶粒取向和晶粒尺寸；采用透射电子显微镜（TEM）对峰值时效后最优样品的微观结构进行表征。

二、实验结果与分析

（一）L-PBF 工艺参数的影响

对不同工艺参数下制备的Cu-Cr-Si合金性能数据进行概率分析（图3），结果表明硬度和电导率数据点与正态分布趋势线拟合紧密，符合正态分布；而密度数据点偏离中间趋势线，不满足正态分布。

图3.不同工艺参数下Cu-Cr-Si合金性能的概率分析。(a)相对密度；(b)硬度；(c)电导率。

研究激光功率和扫描速度对合金相对密度、硬度和电导率的影响（图4）发现，在扫描速度相同的情况下，随着激光功率的增加，样品的相对密度、硬度和电导率均显著提高；当激光功率保持不变时，这三个性能指标随扫描速度的升高呈现上下波动，未呈现明显的相关性，表明激光功率是影响合金性能的主要因素。当激光功率高于400W且扫描速度在400-500mm/s时，可获得相对密度高于98.6%的样品，此时样品的硬度和电导率也相对较高。综合考虑，确定本研究中Cu-Cr-Si合金的最佳工艺参数为激光功率450-475W、扫描速度400-500mm/s、hatch间距45μm、层厚30μm，在此参数下制备的样品性能最优。

图4.不同工艺参数下Cu-Cr-Si合金性能的3D表面图。（a）相对密度；（b）硬度；（c）电导率。

通过对不同能量密度下样品微观结构的研究（图5）发现，随着能量密度的增加，熔池中心粗晶与相邻熔池重叠区域细晶的边界愈发清晰，样品中存在的孔隙数量和体积逐渐减少，但未观察到微裂纹。除最低能量密度样品外，其他样品的最大织构强度值相同，且样品的晶粒尺寸随能量密度的增加略有增大。

图5.P450V500样品的EBSD分析和晶粒分布。（a）IPF；（b）晶粒尺寸；（c）极图。

（二）热处理对成型样品的影响

以P450V500样品为例，探究不同时效温度（450℃和500℃）和时间对样品硬度和电导率的影响（图6）。结果显示，在450℃时效时，样品硬度随时间增加而升高，240min后达到稳定，峰值硬度为239HV；在500℃时效时，样品硬度初期快速上升，2h后出现过时效现象，硬度开始下降，峰值时效硬度为237.4HV。电导率则随时效时间的延长逐渐增加，且500℃时效样品的电导率始终高于450℃时效样品。综合考虑时间成本和性能优势，确定500℃时效45min为适合本研究Cu-Cr-Si合金的热处理工艺。

图6.P450V500样品在450°C和500°C时效后的性能。（a）硬度；（b）电导率。

对时效前后的P450V500样品进行拉伸测试和断口形貌分析（图7），结果表明时效处理后，合金的屈服强度从261MPa提升至635MPa，抗拉强度从303MPa提高到686MPa，硬度增加了138HV，但伸长率从36%下降至16%。断口形貌显示，时效前样品断口有许多韧窝，表明其塑性良好；时效后断口以河流花样为主，仍存在较深韧窝，说明合金在时效后仍保持一定的塑性。

图7.Cu-Cr-Si合金(P450V500)时效前后室温拉伸应力-应变曲线及断口形貌。(a)和(c)拉伸应力-应变曲线；(b)和(d)断口形貌。

利用TEM对500℃时效45min后的Cu-Cr-Si合金样品进行微观结构分析（图8、图9），发现铜基体中存在大量平均尺寸约为4.5nm 的圆形和椭圆形纳米级析出相，经FFT分析证实这些析出相为面心立方结构的Cr相，且与铜基体存在特定的取向关系；同时还观察到尺寸约为20.6nm的粗大析出相，经FFT分析确定为Cr3Si相，其与基体也存在特定的取向关系。

图8.Cu-Cr-Si合金时效后的TEM图像。(a) BF图像；(b) HRTEM图像；(c) FFT图像。

图9.Cu-Cr-Si合金时效后的TEM图像。(a)和(c)HRTEM图像；(b)和(d)FFT图像。

三、讨论

（一）工艺参数的影响机制

由于铜的高激光反射率，L-PBF制备铜合金需要较高的激光能量。低能量输入（如激光功率过低或扫描速度过快）会导致合金粉末熔化不充分，熔池无法充分扩展，从而在样品中形成不规则孔隙（图10）。随着能量密度的增加，熔池重熔面积增大，相邻熔池之间的重叠程度提高，有利于减少孔隙的产生。在L-PBF过程中，粉末熔化形成熔池，熔池内部的热梯度方向从熔池边界指向中心，晶粒垂直于熔池边界生长；同时，上层粉末熔化时会对下层金属进行重熔，使得下层金属晶粒沿热温度梯度方向向上延伸生长，从而形成样品中的柱状晶晶粒结构。

图10.不同能量输入下样品成孔示意图。(a)低能量输入；(b)适当能量输入。

（二）直接时效对性能和微观结构的影响机制

根据Matthiessen定律，合金的电阻由多种散射机制共同决定。在本研究中，由于时效前后电导率测试均在室温下进行，声子散射引起的电阻率变化可忽略不计；且样品在测量电导率前均经800目砂纸打磨，界面散射变化也可忽略。时效前，L-PBF制备的Cu-Cr-Si合金处于过饱和固溶状态，存在大量点缺陷和晶格畸变，导致缺陷散射和杂质散射较高，电导率较低。时效后，大量细小且均匀分散的Cr析出相从铜基体中析出，大部分晶格畸变消除，缺陷散射和杂质散射显著降低，虽然Cr析出相本身会增加一定的杂质散射，但因其尺寸较小，增加量远小于缺陷散射和杂质散射的减少量，从而使合金整体电阻率降低，电导率提高。

对于机械性能，Cu-Cr-Si合金作为沉淀强化合金，时效前由于处于过饱和状态，沉淀强化作用微弱，机械性能较低。时效后，大量细小且均匀分散的Cr析出相在基体中形成，且由于过饱和浓度较高，时效初期析出相迅速从基体中析出，使得样品硬度和电导率显著增加，这表明Cr析出相的沉淀是合金机械性能大幅提升的主要原因。峰值时效后，随着时效时间的进一步延长，较高的温度和较长的时间会导致析出相长大和团聚，进而使硬度降低。

（三）性能对比与优势

将本研究中时效处理后的Cu-Cr-Si合金与其他采用SLM或L-PBF技术制备的铜合金（如Cu-Cr-Zr、Cu-10Zn、Cu-Ni-Si-Cr等）进行性能对比（图11），结果显示本研究中合金的抗拉强度显著高于其他报道的铜合金。这表明通过合理选择L-PBF工艺参数和热处理工艺，成功实现了Cu-Cr-Si合金强度和韧性的协同增强，使其在性能上具有明显优势。

图11.本研究与其他铜合金的性能比较。

研究结论

本研究通过实验研究，成功获得了L-PBF制备Cu-Cr-Si合金的最佳工艺参数，即激光功率450-475W、扫描速度400-500mm/s、hatch间距45μm、层厚30μm，在此参数下制备的样品相对密度高于99%。研究发现，低能量密度样品的X-Z表面存在较多大孔隙，随着能量密度的增加，孔隙逐渐减少；Cu-Cr-Si合金在X-Z平面的晶粒为细柱状晶，且具有 织构。经500℃/45min直接时效处理后，合金的机械性能和电导率得到显著提升，硬度达到237HV，电导率为63% IACS，屈服强度为635MPa，抗拉强度为686MPa。时效处理后，铜基体中会弥散分布大量纳米级的Cr和Cr3Si析出相，这些细小且均匀分散的Cr 析出相是提高合金机械性能和电导率的主要原因。本研究为利用L-PBF技术制备高性能Cu-Cr-Si合金提供了重要的理论指导，有助于推动该技术在相关领域的实际应用。