铜锡合金激光选区熔化非平衡凝固组织与性能

工程科学学报 Chinese Journal of Engineering 铜锡合金激光选区熔化非平衡凝固组织与性能 李小璇王曾洁贺定勇刘轩薛济来 Nonequilibrium solidification microstructures and mechanical properties of selective laser-melted Cu-Sn alloy LI Xiao-xuan,WANG Zeng-jie,HE Ding-yong.LIU Xuan,XUE Ji-lai 引用本文： 李小璇，王曾洁，贺定勇，刘轩，薛济来.铜锡合金激光选区熔化非平衡凝固组织与性能)工程科学学报，2021,43(8)：1100- 1106.doi10.13374/i.issn2095-9389.2020.10.29.006 LI Xiao-xuan,WANG Zeng-jie,HE Ding-yong,LIU Xuan,XUE Ji-lai.Nonequilibrium solidification microstructures and mechanical properties of selective laser-melted CuSn alloy[J].Chinese Journal of Engineering,2021,43(8):1100-1106.doi: 10.13374.issn2095-9389.2020.10.29.006 在线阅读View online:https::/doi.org10.13374.issn2095-9389.2020.10.29.006 您可能感兴趣的其他文章 Articles you may be interested in 预热对激光熔化沉积成形12CNi2合金钢组织与性能的影响 Effect of preheating on the microstructure and properties of laser melting deposited 12CrNi2 alloy steel 工程科学学报.2018,40(11)：1342htps:/doi.org/10.13374.issn2095-9389.2018.11.008 压力对A380铝合金的铸造组织和力学性能的影响 Effect of pressures on macro-/microstructures and mechanical properties of A380 aluminum alloy 工程科学学报.2017,39(7)：1020 https:ldoi.org10.13374.issn2095-9389.2017.07.006 基于厚向组织性能考量的7B50铝合金中厚板回归再时效热处理 Retrogression and re-aging 7B50 Al alloy plates based on examining the through-thickness microstructures and mechanical properties 工程科学学报.2017,393：432htps:/doi.org/10.13374.issn2095-9389.2017.03.016 焊接速度对机器人搅拌摩擦焊AA7B04铝合金接头组织和力学性能的影响 Effect of the welding speed on the microstructure and the mechanical properties of robotic friction stir welded AA7B04 aluminum alloy 工程科学学报.2018,40(12：外1525 https:doi.org10.13374.issn2095-9389.2018.12.011 C和Si元素对奥氏体不锈钢组织构成及凝固路线的影响 Effects of Cr and Si on the microstructure and solidification path of austenitic stainless steel 工程科学学报.2020,42(2：179htps:/doi.org/10.13374j.issn2095-9389.2019.02.24.003 Sc对7056铝合金组织和性能的影响 Effect of Sc on the microstructure and properties of 7056 aluminum alloy 工程科学学报.2019.41(10：1298 https::/doi.org/10.13374.issn2095-9389.2018.10.22.003

铜锡合金激光选区熔化非平衡凝固组织与性能 李小璇 王曾洁 贺定勇 刘轩 薛济来 Nonequilibrium solidification microstructures and mechanical properties of selective laser-melted Cu–Sn alloy LI Xiao-xuan, WANG Zeng-jie, HE Ding-yong, LIU Xuan, XUE Ji-lai 引用本文: 李小璇, 王曾洁, 贺定勇, 刘轩, 薛济来. 铜锡合金激光选区熔化非平衡凝固组织与性能[J]. 工程科学学报, 2021, 43(8): 1100- 1106. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2020.10.29.006 LI Xiao-xuan, WANG Zeng-jie, HE Ding-yong, LIU Xuan, XUE Ji-lai. Nonequilibrium solidification microstructures and mechanical properties of selective laser-melted CuSn alloy[J]. Chinese Journal of Engineering, 2021, 43(8): 1100-1106. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2020.10.29.006 在线阅读 View online: https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2020.10.29.006 您可能感兴趣的其他文章 Articles you may be interested in 预热对激光熔化沉积成形12CrNi2合金钢组织与性能的影响 Effect of preheating on the microstructure and properties of laser melting deposited 12CrNi2 alloy steel 工程科学学报. 2018, 40(11): 1342 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2018.11.008 压力对A380铝合金的铸造组织和力学性能的影响 Effect of pressures on macro-/microstructures and mechanical properties of A380 aluminum alloy 工程科学学报. 2017, 39(7): 1020 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2017.07.006 基于厚向组织性能考量的7B50铝合金中厚板回归再时效热处理 Retrogression and re-aging 7B50 Al alloy plates based on examining the through-thickness microstructures and mechanical properties 工程科学学报. 2017, 39(3): 432 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2017.03.016 焊接速度对机器人搅拌摩擦焊AA7B04铝合金接头组织和力学性能的影响 Effect of the welding speed on the microstructure and the mechanical properties of robotic friction stir welded AA7B04 aluminum alloy 工程科学学报. 2018, 40(12): 1525 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2018.12.011 Cr和Si元素对奥氏体不锈钢组织构成及凝固路线的影响 Effects of Cr and Si on the microstructure and solidification path of austenitic stainless steel 工程科学学报. 2020, 42(2): 179 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2019.02.24.003 Sc对7056铝合金组织和性能的影响 Effect of Sc on the microstructure and properties of 7056 aluminum alloy 工程科学学报. 2019, 41(10): 1298 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2018.10.22.003

工程科学学报.第43卷.第8期：1100-1106.2021年8月 Chinese Journal of Engineering,Vol.43,No.8:1100-1106,August 2021 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2020.10.29.006;http://cje.ustb.edu.cn 铜锡合金激光选区熔化非平衡凝固组织与性能 李小璇)，王曾洁2)四，贺定勇12，刘轩)，薛济来引 1)北京工业大学材料与制造学部，北京1001242)北京市生态环境材料及其评价工程技术研究中心，北京1001243)北京科技大学治金 与生态工程学院，北京100083 ☒通信作者，E-mail:wangzj@bjut.edu.cn 摘要对具有重要工程应用价值的Cu-5%Sn合金进行激光选区熔化(SLM)成形，在激光功率160W、扫描速度300mms、 扫描间距0.07mm条件下，合金样品相对密度可达99.2%，熔池层与层堆积密实，表面质量良好.研究发现所获合金具有非平 衡凝固组织特征，其中以a-Cu(S)固溶体相为主，且涉及具有超结构的y相、δ相.显微形貌主要由柱状晶与富锡网状组织构 成，伴随有不同尺度界面S元素偏析及晶界、晶内纳米尺寸超结构合金相颗粒析出.所获合金的力学性能与同成分铸态合 金或较低Sn含量SLM合金相比得到显著强化，表面硬度可达HV133.83.屈服强度326MPa.抗拉强度387MPa及断裂总延 伸率22.7%. 关键词铜合金：有色金属：凝固组织：析出：激光选区熔化：力学性能 分类号TF801.1 Nonequilibrium solidification microstructures and mechanical properties of selective laser-melted Cu-Sn alloy LI Xiao-xuan,WANG Zeng-jie,HE Ding-yong2),LIU Xuan,XUE Ji-lai 1)Faculty of Materials and Manufacturing,Beijing University of Technology,Beijing 100124,China 2)Beijing Engineering Research Center of Eco-materials and LCA,Beijing 100124,China 3)School of Metallurgical and Ecological Engineering,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China Corresponding author,E-mail:wangzj@bjut.edu.cn ABSTRACT Cu-based alloys can be used as a selective laser melting (SLM)material for advanced engineering applications,such as aerospace,5G mobile networks,and high-speed transportation.The mechanical properties and solidification microstructures of Cu alloys prepared using the casting technique differ from those prepared using the SLM technique,and SLM-built alloys can involve more complex microstructures and phase transformations developed in micromolten pools produced by high-power laser beams.However, nonequilibrium solidification microstructures and mechanical properties of SLM-built Cu-Sn alloys have seldom been studied in the literature.In this work,the Cu-5%Sn alloy was investigated using the SLM technique,along with cast Cu-Sn alloys for comparison.The high quality Cu-based alloy samples were fabricated using the SLM technique,with optimized processing parameters of 160 W laser power,300 mm-s scanning speed,and 0.07 mm line spacing.The samples exhibit a relative density of 99.2%,and virtually no pores and spheroidizing phenomena or warping defects were observed.The microstructural analysis of SLM-built Cu-5%Sn alloy reveals a nonequilibrium solidification feature under high cooling rates and rapid alternative thermal conditions during the SLM fabrication process,in which the a-Cu(Sn)solid solution is the major phase along with Y and phases.Columnar grains and reticular microstructures dominate the solidified SLM-built alloy,while segregated Sn appears in the boundaries of all levels within the alloys. 收稿日期：2020-10-29 基金项目：北京市教委科技计划资助项目(KM201910005010):国家自然科学基金资助项目(51674025)：中央高校基本科研业务费专项资 金资助项目(FRF-UM-15-049)

铜锡合金激光选区熔化非平衡凝固组织与性能 李小璇1)，王曾洁1,2) 苣，贺定勇1,2)，刘    轩3)，薛济来3) 1) 北京工业大学材料与制造学部，北京 100124    2) 北京市生态环境材料及其评价工程技术研究中心，北京 100124    3) 北京科技大学冶金 与生态工程学院，北京 100083 苣通信作者，E-mail: wangzj@bjut.edu.cn 摘    要    对具有重要工程应用价值的 Cu‒5%Sn 合金进行激光选区熔化（SLM）成形，在激光功率 160 W、扫描速度 300 mm·s−1、 扫描间距 0.07 mm 条件下，合金样品相对密度可达 99.2%，熔池层与层堆积密实，表面质量良好. 研究发现所获合金具有非平 衡凝固组织特征，其中以 α-Cu(Sn) 固溶体相为主，且涉及具有超结构的 γ 相、δ 相. 显微形貌主要由柱状晶与富锡网状组织构 成，伴随有不同尺度界面 Sn 元素偏析及晶界、晶内纳米尺寸超结构合金相颗粒析出. 所获合金的力学性能与同成分铸态合 金或较低 Sn 含量 SLM 合金相比得到显著强化，表面硬度可达 HV 133.83，屈服强度 326 MPa，抗拉强度 387 MPa 及断裂总延 伸率 22.7%. 关键词    铜合金；有色金属；凝固组织；析出；激光选区熔化；力学性能 分类号    TF801.1 Nonequilibrium  solidification  microstructures  and  mechanical  properties  of  selective laser-melted Cu–Sn alloy LI Xiao-xuan1) ，WANG Zeng-jie1,2) 苣 ，HE Ding-yong1,2) ，LIU Xuan3) ，XUE Ji-lai3) 1) Faculty of Materials and Manufacturing, Beijing University of Technology, Beijing 100124, China 2) Beijing Engineering Research Center of Eco-materials and LCA, Beijing 100124, China 3) School of Metallurgical and Ecological Engineering, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China 苣 Corresponding author, E-mail: wangzj@bjut.edu.cn ABSTRACT    Cu-based alloys can be used as a selective laser melting (SLM) material for advanced engineering applications, such as aerospace, 5G mobile networks, and high-speed transportation. The mechanical properties and solidification microstructures of Cu alloys prepared  using  the  casting  technique  differ  from  those  prepared  using  the  SLM  technique,  and  SLM-built  alloys  can  involve  more complex  microstructures  and  phase  transformations  developed  in  micromolten  pools  produced  by  high-power  laser  beams.  However, nonequilibrium solidification microstructures and mechanical properties of SLM-built Cu –Sn alloys have seldom been studied in the literature. In this work, the Cu–5%Sn alloy was investigated using the SLM technique, along with cast Cu–Sn alloys for comparison. The high quality Cu-based alloy samples were fabricated using the SLM technique, with optimized processing parameters of 160 W laser power, 300 mm·s−1 scanning speed, and 0.07 mm line spacing. The samples exhibit a relative density of 99.2%, and virtually no pores and spheroidizing phenomena or warping defects were observed. The microstructural analysis of SLM-built Cu–5% Sn alloy reveals a nonequilibrium  solidification  feature  under  high  cooling  rates  and  rapid  alternative  thermal  conditions  during  the  SLM  fabrication process,  in  which  the  α-Cu(Sn)  solid  solution  is  the  major  phase  along  with  γ  and  δ  phases.  Columnar  grains  and  reticular microstructures dominate the solidified SLM-built alloy, while segregated Sn appears in the boundaries of all levels within the alloys. 收稿日期: 2020−10−29 基金项目: 北京市教委科技计划资助项目（KM201910005010）；国家自然科学基金资助项目（51674025）；中央高校基本科研业务费专项资 金资助项目（FRF-UM-15-049） 工程科学学报，第 43 卷，第 8 期：1100−1106，2021 年 8 月 Chinese Journal of Engineering, Vol. 43, No. 8: 1100−1106, August 2021 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2020.10.29.006; http://cje.ustb.edu.cn

李小璇等：铜锡合金激光选区熔化非平衡凝固组织与性能 ·1101 The Sn-rich nanoparticles with super-lattice structures precipitates along the grain boundaries and inside the grains.With the combined effects of grain fining,super-lattice-structured nanoparticles precipitation,solid solution,and thermal residual stress,the SLM-built Cu-5%Sn alloy shows significantly enhanced mechanical properties,such as HV 133.83 Vickers hardness,326 MPa yield strength, 387 MPa tensile strength,and 22.7%fracture extension.Such scientific information is very useful for improving the alloy composition design and optimizing the SLM processing parameters. KEY WORDS copper alloy:nonferrous metals:solidification microstructure;precipitation;selective laser melting;mechanical property 铜合金一直具有广泛的工程应用，近年来又作 采用EOSM1003D打印设备(EOS,德国)，通入纯 为一类重要的新兴增材制造原材料而备受国内外 度≥99.999%的高纯氩气，扫描层厚设为20μm.为 关注l-刀.选用激光选区熔化(Selective laser melting,. 减少样品成形组织形成择优取向，成形过程中 $LM)增材技术制备的铜合金产品，收缩系数小，机 每一新层与已凝固成形层的扫描路径间夹角设 械性能、导电性、导热性、焊接性、耐蚀性等均十 置为67°.铜锡合金于碳钢基板上成形，基板预热 分优异，能够满足航天航空、新一代通讯网络、高速 温度为80℃，SLM成形技术参数采用正交实验设 轨道交通等对复杂形状关键部件的工程需求⑧-川 计优化，考察激光功率(120、140、160W),扫描速 文献中对铜锡合金基本体系的组织性能报道 度(300,600,900mms)、扫描间距(0.03、0.05、 较多，但SLM成形合金凝固组织特征及对性能的 0.07mm)对合金成形致密度的影响，块体样品成 影响规律与传统熔铸态有所不同.铜锡合金结晶 形尺寸5mm×5mm×5mm.同时，采用真空感应熔 温度范围较宽、成分间隔大，铸态组织中品粒粗 炼纯度99.99%的纯铜、锡，炉冷后得到Cu-5%Sn 大，存在枝晶偏析与宏观反偏析，强度与塑性较低] 合金铸锭，作为SLM组织与性能对比研究参照. 而SLM成形时合金粉末在高能激光作用下熔化 1.2微观结构表征与力学性能测试 形成独特微小液相熔池并经历快速冷凝与重熔交 使用阿基米德排水法测量SLM成形合金相对 变过程，熔池内温度梯度极高，熔体凝固组织与相 密度以量化考量合金成形致密度，采用图像分析 变过程复杂)相关研究表明锡、铜原子尺寸相差 法20分析样品孔隙率以验证相对密度测量值.应 较大，原子间扩散速度慢，且铜与锡易有序化形成 用D8-Advance X射线衍射仪分析样品相组成：激 超点阵结构合金相4，因而合金发生相转变时 光共聚焦LEXT OLS4100与光学显微OLMPUS 可能形成若干亚稳相并与平衡相共存网.然而，以 PMG3观察成形样品表面，日立SU8020扫描电子 往相关文献中对合金SLM成形时可能涉及的非 显微镜分析样品显微组织，FEI Talos F20OX对样 平衡相转变关注甚少，对成形合金非平衡凝固组 品结构进行透射电子显微分析.在力学性能测试 织特征及其对性能的影响作用研究不足.而在铜 中，使用泰明HXD-1000 TMC/LCD数字显微硬度 锡体系基础上创新开发适应SLM成形制备的高 仪测试样品显微硬度（实验载荷300g,加载时间 性能铜合金，则需要重新审视和深入探索其在SLM 10s).依据ASTM E-8标准分别SLM成形制备 条件下表现出的凝固组织与性能新特征.本文选 1mm厚与3mm厚拉伸板状试样，拉伸样品表面 取有重要工程应用价值的Cu-5%Sn合金经激光 经砂纸打磨至光洁后，采用NSTRON5985万能材 选区熔化制备高致密度合金样品，对其相组成、显 料试验机进行准静态拉伸试验， 微组织进行表征分析，并结合力学性能测试，探索 其非平衡凝固组织特征及其对SLM成形合金力 2分析与讨论 学性能的强化作用 2.1合金激光选区熔化成形 1实验 SLM参数对成形质量的影响程度会因具体试 验条件不同而异B,6刀表1所示为激光功率(P)、 1.1实验材料与激光选区熔化成形 扫描速度()、扫描间距(L)设计参数及体能量密 原始粉末选用有研粉末新材料有限公司提供 度()对合金成形样品相对密度的影响结果，其中 的气雾化Cu-5%Sn合金粉末，粉末球形度良好， (Jmm3)由下式计算获得，式中H为层厚 颗粒直径约20~50μm,其中氧质量分数约为0.019%， P 山= (1) 流动性良好，松装密度为3.991gcm3.SLM成形 rLH

The Sn-rich nanoparticles with super-lattice structures precipitates along the grain boundaries and inside the grains. With the combined effects  of  grain  fining,  super-lattice-structured  nanoparticles  precipitation,  solid  solution,  and  thermal  residual  stress,  the  SLM-built Cu –5%Sn  alloy  shows  significantly  enhanced  mechanical  properties,  such  as  HV  133.83  Vickers  hardness,  326  MPa  yield  strength, 387 MPa tensile strength, and 22.7% fracture extension. Such scientific information is very useful for improving the alloy composition design and optimizing the SLM processing parameters. KEY  WORDS    copper  alloy； nonferrous  metals； solidification  microstructure； precipitation； selective  laser  melting； mechanical property 铜合金一直具有广泛的工程应用，近年来又作 为一类重要的新兴增材制造原材料而备受国内外 关注[1−7] . 选用激光选区熔化（Selective laser melting, SLM）增材技术制备的铜合金产品，收缩系数小，机 械性能、导电性、导热性、焊接性、耐蚀性等均十 分优异，能够满足航天航空、新一代通讯网络、高速 轨道交通等对复杂形状关键部件的工程需求[8−11] . 文献中对铜锡合金基本体系的组织性能报道 较多，但 SLM 成形合金凝固组织特征及对性能的 影响规律与传统熔铸态有所不同. 铜锡合金结晶 温度范围较宽、成分间隔大，铸态组织中晶粒粗 大，存在枝晶偏析与宏观反偏析，强度与塑性较低[12] . 而 SLM 成形时合金粉末在高能激光作用下熔化 形成独特微小液相熔池并经历快速冷凝与重熔交 变过程，熔池内温度梯度极高，熔体凝固组织与相 变过程复杂[13] . 相关研究表明锡、铜原子尺寸相差 较大，原子间扩散速度慢，且铜与锡易有序化形成 超点阵结构合金相[14−18] ，因而合金发生相转变时 可能形成若干亚稳相并与平衡相共存[19] . 然而，以 往相关文献中对合金 SLM 成形时可能涉及的非 平衡相转变关注甚少，对成形合金非平衡凝固组 织特征及其对性能的影响作用研究不足. 而在铜 锡体系基础上创新开发适应 SLM 成形制备的高 性能铜合金，则需要重新审视和深入探索其在 SLM 条件下表现出的凝固组织与性能新特征. 本文选 取有重要工程应用价值的 Cu‒5%Sn 合金经激光 选区熔化制备高致密度合金样品，对其相组成、显 微组织进行表征分析，并结合力学性能测试，探索 其非平衡凝固组织特征及其对 SLM 成形合金力 学性能的强化作用. 1    实验 1.1    实验材料与激光选区熔化成形 原始粉末选用有研粉末新材料有限公司提供 的气雾化 Cu‒5%Sn 合金粉末，粉末球形度良好， 颗粒直径约 20～50 μm，其中氧质量分数约为 0.019%， 流动性良好，松装密度为 3.991 g·cm−3 . SLM 成形 采用 EOS M100 3D 打印设备（EOS，德国），通入纯 度≥99.999% 的高纯氩气，扫描层厚设为 20 μm. 为 减少样品成形组织形成择优取向，成形过程中 每一新层与已凝固成形层的扫描路径间夹角设 置为 67°. 铜锡合金于碳钢基板上成形，基板预热 温度为 80 ℃，SLM 成形技术参数采用正交实验设 计优化，考察激光功率 (120、140、160 W)，扫描速 度 （ 300， 600， 900 mm·s−1）、扫描间距（ 0.03、 0.05、 0.07 mm）对合金成形致密度的影响，块体样品成 形尺寸 5 mm×5 mm×5 mm. 同时，采用真空感应熔 炼纯度 99.99% 的纯铜、锡，炉冷后得到 Cu‒5%Sn 合金铸锭，作为 SLM 组织与性能对比研究参照. 1.2    微观结构表征与力学性能测试 使用阿基米德排水法测量 SLM 成形合金相对 密度以量化考量合金成形致密度，采用图像分析 法[20] 分析样品孔隙率以验证相对密度测量值. 应 用 D8-Advance X 射线衍射仪分析样品相组成；激 光共聚 焦 LEXT  OLS4100 与光学显 微 OLMPUS PMG3 观察成形样品表面，日立 SU8020 扫描电子 显微镜分析样品显微组织，FEI Talos F200X 对样 品结构进行透射电子显微分析. 在力学性能测试 中，使用泰明 HXD-1000TMC/LCD 数字显微硬度 仪测试样品显微硬度（实验载荷 300 g，加载时间 10 s） . 依据 ASTM E-8 标准分别 SLM 成形制备 1 mm 厚与 3 mm 厚拉伸板状试样，拉伸样品表面 经砂纸打磨至光洁后，采用 INSTRON 5985 万能材 料试验机进行准静态拉伸试验. 2    分析与讨论 2.1    合金激光选区熔化成形 SLM 参数对成形质量的影响程度会因具体试 验条件不同而异[2, 6−7] . 表 1 所示为激光功率 (P)、 扫描速度 (r)、扫描间距 (L) 设计参数及体能量密 度（ψ）对合金成形样品相对密度的影响结果，其中 ψ（J·mm−3）由下式计算获得，式中 H 为层厚. ψ = P rLH （1） 李小璇等： 铜锡合金激光选区熔化非平衡凝固组织与性能 · 1101 ·

·1102 工程科学学报，第43卷，第8期 表1C-5%Sn合金激光选区熔化成形参数与相对密度汇总 160W时，作用于合金粉末的激光能量增大，所获合 Table 1 Selective laser melting parameters and corresponding relative 金致密度显著提高.而当扫描速度增大时，粉末受 densities of as-prepared Cu-5%Sn alloys 激光有效作用时间相应减少，粉末难以充分熔化，致 Laser Scanning Line Experimental Energy Relative 密度随之下降.当扫描间距过小时，虽然激光体能 number power/ speed/ spacing/ density/ density/ W (mm's) mm (小mm) % 量密度可明显提高，但熔道间重熔区域将积累过多 120 300 0.03 666.66 91.47 激光能量，易造成金属液滴飞溅，成形缺陷增多，致 2 120 600 0.05 200.00 90.77 密度下降.上述技术参数的影响作用主要是由于铜 3 120 900 0.07 95.24 91.09 合金导热率高，激光吸收率较低所致.综合正交实验 4 140 600 0.07 166.66 95.77 结果，优化选择激光功率160W、扫描速度300mms、 5 140 900 0.03 259.26 93.36 扫描间距0.07mm作为Cu-5%Sn SLM成形参数. 6 140 300 0.05 466.66 96.34 优化参数条件下，SLM成形Cu-5%Sn合金块 7 160 300 0.07 380.96 99.19 体如图1(a)所示，相对密度达99.2%.图1(b)与(c) 8 160 600 0.03 444.44 96.28 分别为成形合金顶表面激光共聚焦与侧表面金相 9 160 900 0.05 177.78 94.70 观察图，其中I(b)白色直线显示SLM熔道连续、 R 5.61 2.62 1.65 成形各单道之间搭接良好，无明显球化现象.图1(c) 所示扇形熔池沿生长方向逐层密实堆积，熔池边 从表1中极差分析R值可知，在本实验条件下 界清晰，未见显著孔隙缺陷，表明本研究优选的成 激光功率对合金成形致密度影响作用最大，其后依 形参数可使铜锡合金粉末熔化充分，致密度高，成 次为扫描速度、扫描间距.当激光功率由120增至 形表面质量较好 图1SLM成形Cu-5%Sn合金及表面光学显微观察.(a)SLM成形块体：(b)顶表面形貌：(c)侧表面形貌 Fig1 Cu%Sn alloy prepared using the SLM technique and corresponding optical observation of the alloy surfaces:(a)SLM built block;(b)top surface image;(c)side surface image 2.2合金激光选区熔化成形相组成及显微组织特征 As-built Cu-5%Sn ·a-Cu Cu-5%Sn气雾化合金粉末与激光选区熔化成 (11) ◆8-Cu1Snu 形样品的X射线衍射图谱如图2所示.比较后发 (200) (220) (311222 现，原始合金粉末中主要存在a-Cu(Sn)固溶体与 δ-Cu4Sn1两相，SLM成形合金中ǒ-Cu41Sn1相衍 Powder Cu-5 Sn 射峰明显减弱，而a-Cu(S)固溶体衍射峰对应的 20角相比原始气雾化粉末中a-Cu(Sn)衍射20角 向左微偏移，表明与原始合金粉末相比，SLM成形 2030405060 708090100 合金的冷速更高（约10℃s),溶质截留效应相 2W) 应增强，更多Sn元素固溶于铜中，导致晶格参数 图2气雾化C-5%Sn合金粉末与SLM成形合金X射线衍射图谱 相应增大 Fig.2 X-Ray diffraction patterns for atomized prealloyed powder and as-built Cu-5%Sn 图3显示SLM成形合金表面形貌的扫描电子 显微分析结果.图3(a)中可见合金中主要呈现两 出在本文优选参数条件下成形合金晶粒细化效果 种形貌的组织，即柱状晶与网状组织.同时，可看 显著，由于组织细小，能量色谱仪无法精确探测各

从表 1 中极差分析 R 值可知，在本实验条件下 激光功率对合金成形致密度影响作用最大，其后依 次为扫描速度、扫描间距. 当激光功率由 120 增至 160 W 时，作用于合金粉末的激光能量增大，所获合 金致密度显著提高. 而当扫描速度增大时，粉末受 激光有效作用时间相应减少，粉末难以充分熔化，致 密度随之下降. 当扫描间距过小时，虽然激光体能 量密度可明显提高，但熔道间重熔区域将积累过多 激光能量，易造成金属液滴飞溅，成形缺陷增多，致 密度下降. 上述技术参数的影响作用主要是由于铜 合金导热率高，激光吸收率较低所致. 综合正交实验 结果，优化选择激光功率 160 W、扫描速度 300 mm·s−1、 扫描间距 0.07 mm 作为 Cu‒5%Sn SLM 成形参数. 优化参数条件下，SLM 成形 Cu‒5%Sn 合金块 体如图 1（a）所示，相对密度达 99.2%. 图 1（b）与（c） 分别为成形合金顶表面激光共聚焦与侧表面金相 观察图，其中 1（b）白色直线显示 SLM 熔道连续、 成形各单道之间搭接良好，无明显球化现象. 图 1（c） 所示扇形熔池沿生长方向逐层密实堆积，熔池边 界清晰，未见显著孔隙缺陷，表明本研究优选的成 形参数可使铜锡合金粉末熔化充分，致密度高，成 形表面质量较好. (a) (b) (c) BD 2 mm 100 μm 20 μm Micromolten pool 图 1    SLM 成形 Cu‒5%Sn 合金及表面光学显微观察. （a）SLM 成形块体；（b）顶表面形貌；（c）侧表面形貌 Fig.1     Cu –5%Sn  alloy  prepared  using  the  SLM  technique  and  corresponding  optical  observation  of  the  alloy  surfaces:  (a)  SLM  built  block;  (b)  top surface image; (c) side surface image 2.2    合金激光选区熔化成形相组成及显微组织特征 Cu‒5%Sn 气雾化合金粉末与激光选区熔化成 形样品的 X 射线衍射图谱如图 2 所示. 比较后发 现，原始合金粉末中主要存在 α-Cu(Sn) 固溶体与 δ-Cu41Sn11 两相，SLM 成形合金中 δ-Cu41Sn11 相衍 射峰明显减弱，而 α-Cu(Sn) 固溶体衍射峰对应的 2θ 角相比原始气雾化粉末中 α-Cu(Sn) 衍射 2θ 角 向左微偏移，表明与原始合金粉末相比，SLM 成形 合金的冷速更高（约 106 ℃·s−1），溶质截留效应相 应增强，更多 Sn 元素固溶于铜中，导致晶格参数 相应增大. 图 3 显示 SLM 成形合金表面形貌的扫描电子 显微分析结果. 图 3（a）中可见合金中主要呈现两 种形貌的组织，即柱状晶与网状组织. 同时，可看 出在本文优选参数条件下成形合金晶粒细化效果 显著，由于组织细小，能量色谱仪无法精确探测各 表 1    Cu‒5% Sn 合金激光选区熔化成形参数与相对密度汇总 Table 1    Selective  laser  melting  parameters  and  corresponding  relative densities of as-prepared Cu–5% Sn alloys Experimental number Laser power/ W Scanning speed/ (mm·s−1) Line spacing/ mm Energy density/ (J·mm−3) Relative density/ % 1 120 300 0.03 666.66 91.47 2 120 600 0.05 200.00 90.77 3 120 900 0.07 95.24 91.09 4 140 600 0.07 166.66 95.77 5 140 900 0.03 259.26 93.36 6 140 300 0.05 466.66 96.34 7 160 300 0.07 380.96 99.19 8 160 600 0.03 444.44 96.28 9 160 900 0.05 177.78 94.70 R 5.61 2.62 1.65 • ♦ • • • • (222) (111) (200) (220) (311) As-built Cu−5%Sn • 20 30 40 50 60 70 80 90 100 • • • • • ♦ ♦ ♦ ♦ Intensity Powder Cu−5%Sn 2θ/(°) δ-Cu41Sn11 α-Cu 图 2    气雾化 Cu‒5%Sn 合金粉末与 SLM 成形合金 X 射线衍射图谱 Fig.2     X-Ray  diffraction  patterns  for  atomized  prealloyed  powder  and as-built Cu–5%Sn · 1102 · 工程科学学报，第 43 卷，第 8 期

李小璇等：铜锡合金激光选区熔化非平衡凝固组织与性能 ·1103· 区域Sn含量差异.但由图中衬度依然可以看出， 900 755 网状组织内部及其与柱晶界面处存在Sn的微量 800 13.5 798℃ 偏析.该组织特征生成机制可以单个熔池为例阐 22 述：扫描激光使合金粉末完全熔化，激光移开后已 m 700 熔化合金形成微熔池，其内部存在着极大温度梯 度，由此导致a-Cu(Sn)晶核不断形成并沿温度梯 子600 (Cu) 586℃ 4.6 520℃ 582℃ 度方向长大形成柱状晶粒，同时部分Sn原子向固- 5.8 27.0 液界面处扩散，从而在液相区产生成分过冷，在微 熔池内部复杂温度场协同作用下，液相区-Cu(Sn) 400 -350℃ 大范围形核并最终演变形成富锡网状组织 11 32.55 300 200 13 100 10 20 30 40 Cu Sn mass fraction/% Sn Reticular microstructure 图4铜锡二元合金平衡相图四及本文研究所获Cu-5%S合金铸态 组织 图3SLM成形Cu-5%Sn合金扫描电子显微分析.(a)横截面：(b)纵 Fig.4 Cu-Sn equilibrium binary phase diagram and microstructure of as-cast Cu-5%Sn alloys 截面 Fig.3 Scanning electron microscopy (SEM)image of Cu-5%Sn alloy 沿品界分布的Sn元素偏析区及右侧晶粒内部细 prepared using the selective laser melting technique:(a)transverse cross. section;(b)longitudinal cross-section 小纳米颗粒状析出物.晶界处成分分析如图5(a) 中A点与B点所示，其中晶界处A点Sn质量富集 由图4铜锡二元平衡相图中可看出，α相的凝 约为22.83%，与平衡相图中阝相区所示成分接近， 固结品温度范围宽、成分间隔大，因此凝固过程中 品界附近B点Sn则已贫化为0.61%.对于晶粒内 固-液相界面易形成较宽的成分过冷，导致液相内 部纳米颗粒析出物，进一步高角环形暗场像元素 大范围形核及枝晶生长，液态合金流动性较差P叫 图4内附图同时显示铸态合金显微组织中已发生 (a) b 严重的枝晶偏析；而SLM态合金在SLM独有的微 220d 熔池、极高冷速情况下，凝固组织晶粒均被细化至 微米尺度，但微区组织内部依然形成网状的元素 2a 富集偏析区（参见图3）.结合相图分析认为，这主 要是由于凝固时固液界面形成宽成分过冷，以及 随激光扫描连续移动、微熔池内部交变热流条件 下合金熔液急冷凝固与区域重熔再结晶的多重作 200nmi10] (c) (d) 用所致 Grain boundary 针对上述SLM成形凝固过程中发现的微区元 Sn segregation 素富集及偏析现象，本文对微区晶粒及品界做进 Nanoprecipitates 一步透射电子显微分析见图5.其中图5(b)为 图5(a)中所标圆形区域的选区电子衍射斑点，可 见强弱两套斑点，其中强衍射斑点对称性强，来源 200nm 50 nm 于面心立方a-Cu(Sn)基体，标定其晶带轴为[1I0: 而弱衍射斑点虽然在主斑观测品带轴条件下未呈 图5SLM成形Cu-5%Sn合金样品透射电子显微分析.(a)明场像： 对称性，但仍可判断出其晶格常数远高于基体α- (b)选区电子衍射：(c)暗场像：(d)高角环形暗场像 Cu(Sn)相，表明该选区不仅存在a-Cu(Sn)固溶体 Fig.5 Transmission electron microscopy(TEM)image of the Cu-5%Sn alloy fabricated using the selective laser melting technique:(a)bright 相，还可能存在超点阵结构相.对弱衍射斑点做对 field image;(b)selected area electron diffraction,(c)dark field image, 应暗场像分析如图5(c),可见该衍射信息来源于 (d)high angle annular dark field image

区域 Sn 含量差异. 但由图中衬度依然可以看出， 网状组织内部及其与柱晶界面处存在 Sn 的微量 偏析. 该组织特征生成机制可以单个熔池为例阐 述：扫描激光使合金粉末完全熔化，激光移开后已 熔化合金形成微熔池，其内部存在着极大温度梯 度，由此导致 α-Cu(Sn) 晶核不断形成并沿温度梯 度方向长大形成柱状晶粒，同时部分 Sn 原子向固‒ 液界面处扩散，从而在液相区产生成分过冷，在微 熔池内部复杂温度场协同作用下，液相区 α-Cu(Sn) 大范围形核并最终演变形成富锡网状组织. (a) Reticular microstructure (b) Reticular microstucture BD Columnar grain 5 μm 10 μm Columnar grain 图 3    SLM 成形 Cu‒5%Sn 合金扫描电子显微分析. （a）横截面；（b）纵 截面 Fig.3    Scanning electron microscopy (SEM) image of Cu –5%Sn alloy prepared using the selective laser melting technique: (a) transverse cross￾section; (b) longitudinal cross-section 由图 4 铜锡二元平衡相图中可看出，α 相的凝 固结晶温度范围宽、成分间隔大，因此凝固过程中 固‒液相界面易形成较宽的成分过冷，导致液相内 大范围形核及枝晶生长，液态合金流动性较差[21] . 图 4 内附图同时显示铸态合金显微组织中已发生 严重的枝晶偏析；而 SLM 态合金在 SLM 独有的微 熔池、极高冷速情况下，凝固组织晶粒均被细化至 微米尺度，但微区组织内部依然形成网状的元素 富集偏析区（参见图 3）. 结合相图分析认为，这主 要是由于凝固时固液界面形成宽成分过冷，以及 随激光扫描连续移动、微熔池内部交变热流条件 下合金熔液急冷凝固与区域重熔再结晶的多重作 用所致. 针对上述 SLM 成形凝固过程中发现的微区元 素富集及偏析现象，本文对微区晶粒及晶界做进 一步透射电子显微分析见图 5. 其中图 5（ b）为 图 5（a）中所标圆形区域的选区电子衍射斑点，可 见强弱两套斑点，其中强衍射斑点对称性强，来源 于面心立方 α-Cu(Sn) 基体，标定其晶带轴为 [110]； 而弱衍射斑点虽然在主斑观测晶带轴条件下未呈 对称性，但仍可判断出其晶格常数远高于基体 α- Cu(Sn) 相，表明该选区不仅存在 α-Cu(Sn) 固溶体 相，还可能存在超点阵结构相. 对弱衍射斑点做对 应暗场像分析如图 5（c），可见该衍射信息来源于 沿晶界分布的 Sn 元素偏析区及右侧晶粒内部细 小纳米颗粒状析出物. 晶界处成分分析如图 5（a） 中 A 点与 B 点所示，其中晶界处 A 点 Sn 质量富集 约为 22.83%，与平衡相图中 β 相区所示成分接近， 晶界附近 B 点 Sn 则已贫化为 0.61%. 对于晶粒内 部纳米颗粒析出物，进一步高角环形暗场像元素 900 800 700 600 500 Temperature/ ℃ 400 300 200 1.3 11 (Cu) 13.5 798 ℃ 586 ℃ 520 ℃ 582 ℃ ~350 ℃ 32.55 15.8 24.6 755° 27.0 22 β 1000 10 20 Cu Sn mass fraction/% Sn 30 40 As-Cast 400 μm δ γ ζ ε 图 4    铜锡二元合金平衡相图[22] 及本文研究所获 Cu‒5%Sn 合金铸态 组织 Fig.4    Cu –Sn equilibrium binary phase diagram and microstructure of as-cast Cu–5%Sn alloys (a) (b) (c) (d) 200 nm 200 nm 50 nm A B Nanoprecipitates Nanoprecipitates Grain boundary Sn segregation 220α 111α 002α [110] 图 5    SLM 成形 Cu‒5%Sn 合金样品透射电子显微分析. （a）明场像； （b）选区电子衍射；（c）暗场像；（d）高角环形暗场像 Fig.5    Transmission electron microscopy (TEM) image of the Cu–5%Sn alloy  fabricated  using  the  selective  laser  melting  technique:  (a)  bright field  image;  (b)  selected  area  electron  diffraction;  (c)  dark  field  image; (d) high angle annular dark field image 李小璇等： 铜锡合金激光选区熔化非平衡凝固组织与性能 · 1103 ·