上海理工顶刊综述丨激光增材制造Cu合金的微观组织、缺陷、力学性能及未来发展趋势

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由于优异的机械和热性能，纯铜及其合金广泛用于核工业和航空航天工业。CuCrZr和CuCrNb是沉淀硬化合金。该工作全面概述了通过各种增材制造工艺（特别是激光粉末床熔化，L-PBF）构建的CuCrZr和CuCrNb合金的当前研究工作，讨论了L-PBF工艺构建铜合金过程中三种提高合金吸收率的方法，讨论了增材合金微观结构，包括织构和沉淀物，以及室温和高温下的机械、电气和热性能、各向异性性能和后热处理。顶级材料期刊《Materials & Design》近期上线了由上海理工大学发表的关于铜合金增材制造的最新综述文章 “The current state of CuCrZr and CuCrNb alloys manufactured by additive manufacturing: A review”

近几十年来，金属增材制造（AM）由于其优于传统制造（锻造、铸造、轧制等）而发展成为一种流行的工艺。AM是一种根据文件输入以逐层方式熔化和固化金属粉末/金属丝的工艺。AM有利于制造轻质和复杂的组件。在传统的AM工艺中，已经制造了多种合金，包括钛基合金、铁合金、镍基合金和铜基合金等。

由于优异的机械性能、热性能和腐蚀性能，铜基合金在工业中得到广泛应用。到目前为止，增材制造(AM-ed)纯铜和铜合金得到了有趣的研究，包括铜铝(Cu-Al)、铜镍(Cu-Ni)、铜铬锆(Cu-Cr-Zr))和铜铬铌(Cu-Cr-Nb)等。

然而，由于激光辐射的吸收率差和热导率高，通过增材制造制造铜合金仍然具有挑战性。激光辐射的高反射率会降低可用于熔化粉末的激光能量，并对AM设备有害。铜合金的高导热性会导致高热梯度和快速散热，这会导致加工时沉积层的分层和卷曲。CuCrZr和CuCrNb合金均为沉淀硬化合金，广泛用作燃烧室、国际热核实验堆（ITER）壁、液体火箭发动机部件等。迄今为止，已有许多文献报道了增材制造CuCrZr和CuCrNb合金。然而，关于增材制造CuCrZr和CuCrNb合金的综合性评述文章较少。该工作对增材制造CuCrZr和CuCrNb合金相关研究进行了梳理和讨论，主要内容如图1。

图1. 论文主要讨论内容概图

迄今为止，已经通过不同的增材制造工艺制造了纯铜和铜合金。主要的AM工艺类别包括粉末床熔合(PBF)、粘合剂喷射(BJ)、冷喷涂(CS)和定向能量沉积(DED)等。激光粉末床融合(L-PBF)和电子束粉末床融合(EB-PBF)是典型的基于粉末床(PB)融合的AM工艺，其中使用激光束或电子束来熔化粉末。BJ工艺也是一种PB工艺，其中将粘合剂分布在粉末床上以选择性地熔化粉末。CS是一种粉末进料沉积工艺，它使用收敛-发散超音速喷嘴在超音速/跨音速气氛下将金属粉末喷射到基板上。

图2. 制造 CuCrZr 和 CuCrNb 合金的不同增材制造工艺示意图（a）L-PBF工艺；(b) EB-PBF 过程，(c) LP-DED 过程，(d) AW-DED 过程和 (e) HLADED 过程

DED工艺基于粉末流或金属丝，在沉积过程中使用激光、电弧、混合激光电弧(HLA)或电子束作为热源。以粉末为原料的DED工艺主要是指激光粉末定向能量沉积（LP-DED）工艺。同时，以线材为原料的DED工艺可分为激光线定向能量沉积（LW-DED）、电弧线定向能量沉积（AW-DED）、混合激光电弧定向能量沉积（HLADED）、电子束线不同热源的定向能量沉积（EBW-DED）。到目前为止，大多数AM的CuCrZr和CuCrNb合金都是通过PBF和DED工艺制造的，相应的示意图如图2所示。