昆西兰大学+西工大丨激光增材制造高强度异质结构铜合金

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激光粉末床熔融制备高强度非均匀晶粒结构铜合金

澳大利亚昆西兰大学和西北工业大学的科研人员联合以"Additive manufacturing of high strength Copper alloy with heterogeneous grain structure through laser powder bed fusion" 为题在国际金属顶级期刊《Acta Materialia》上发表了铜合金激光增材制造最新的研究成果。

Graphical abstract

论文展示了一种通过异质形核显著细化晶粒来加工高性能铜合金的策略。本文采用激光粉床熔融（L-PBF）增材制造方法，通过机械球磨的方法将亚微米尺度的Co粉和15-53微米的Cu粉在不同配比下混粉预合金化。实验表明，当Co的加入量低于其在Cu中的最大固溶度(4.75wt.%)时，Cu-Co合金的显微组织以粗大的柱状晶为主。当Co的加入量超过4.75wt%时，熔池中心附近出现粗大的等轴晶或柱状晶，而熔池边界处有超细的等轴晶。

扫描电镜显示(a) Cu粉末和(b) Co亚微米颗粒的粉末形貌; (c)对应于(b)中的虚线框; (d) Cu-6 wt.% Co粉末混合物。

微观结构分析表明，原位生成的具有Co壳和CoO核的双相纳米颗粒作为Cu的异质形核中心，可以促使形成超细Cu-Co等轴晶。其机理如下：球磨后亚微米的Co依靠机械结合力附着于Cu颗粒表面，并形成CoO纳米颗粒。该CoO颗粒在熔融状态下（L-PBF过程中）抑制了Cu2O膜的形成，并作为Co包晶反应的形核中心，最终形成了Co壳-CoO核的双相纳米颗粒。这种双相纳米颗粒促进了Cu的异质形核，从而显著细化了Cu-Co合金。后续的时效处理通过晶界强化、析出强化、固溶强化同步提高了塑性和强度。

添加6wt.% Co的L-PBF制备Cu合金的显微组织和元素分布:(a) Cu的EDS图谱; (b) Co的EDS图谱; (c) (a)和(b)中最顶层区域c对应的EBSD图谱; (d) (c)中d区域对应的BSE图像。

铜(Cu)及铜合金元件因其良好的导热性和导电性，在电力、管道、微电子制造、航空航天等领域被广泛应用。随着增材制造(AM)技术的发展，特别是激光粉床熔化(L-PBF)技术的发展通过计算机辅助设计可以制造出高尺寸精度和几何形状复杂的铜零件。但由于铜相对与于其他金属（如钢和钛合金）质地软，并且其很高的激光反射率表现出较差的激光加工性能，所以将铜和其他元素合金化可以使激光AM制造出具有良好性能的部件。

添加6wt.% Co的L-PBF制备Cu的组织特征。(a)晶粒形貌的SEM图像; (b)和(c)分别为(a)等轴晶区b和柱状晶区c对应的BF TEM图像，(d)和(e)分别为(b)和(c)对应的HADDF-STEM图像和元素分布。

本研究重点在Cu-Co体系中，理由如下：1.Co具有较低的激光反射率，如果Co颗粒能够均匀地附着在单个Cu颗粒上，则有利于提高Cu粉的激光吸收率。2.Co的熔点略高于Cu，具有相同的面心立方(FCC)晶体结构和非常接近的晶格参数，这是异质形核的必要条件。3.Co在Cu中具有较高的固溶性。本文从微观组织和性能表征的角度研究Co提高Cu-Co合金机械性能。

论文原文下载链接：

https://doi.org/10.1016/j.actamat.2021.117311

来源：增材制造硕博联盟

Additive 航空航天电力电子增材

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首次发布时间：2023-03-19