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增材制造CuCrZr合金的機(jī)械、電氣和熱性能及未來展望

標(biāo)題：增材制造CuCrZr（鉻鋯銅合金）的機(jī)械、電氣和熱性能及未來展望

銅及其合金由于具有優(yōu)異的機(jī)械性能、熱、電性能，被廣泛應(yīng)用于核工業(yè)和航空航天工業(yè)。在上期內(nèi)容中，增材制造技術(shù)前沿介紹了上海理工大學(xué)團(tuán)隊(duì)發(fā)表的銅合金增材制造技術(shù)中對(duì)CuCrZr合金增材制造工藝和微觀組織結(jié)構(gòu)，本期內(nèi)容，將介紹該材料的機(jī)械、電氣及熱性能，并對(duì)銅合金增材制造的未來進(jìn)行展望。

1. 增材制造CuCrZr合金機(jī)械性能

采用L-PBF制備的CuCrZr合金拉伸性能普遍較低（YS：150-270MPa，UTS：49-347MPa，EL：15-42.4%），硬度（70-100 HV）。直接時(shí)效處理后，拉伸強(qiáng)度急劇增加（YS：325-527MPa，UTS：370-585MPa），延展性降低（EL：5-25%），硬度提高到150-200HV。同時(shí)固溶退火和時(shí)效處理后延展性大幅提高（EL：13–46%），強(qiáng)度降低（YS：218–253MPa，UTS：210–380MPa），硬度略有增加（110–126HV）。經(jīng)過熱處理后，CuCrZr合金機(jī)械性能提高，這主要有兩個(gè)原因。一方面，在熱處理過程中，位錯(cuò)密度和熱殘余應(yīng)力都會(huì)降低。另一方面，納米級(jí)的Cr和CuxZry顆粒在L-PBF工藝或熱處理后析出沉淀。一些L-PBF制備的CuCrZr合金機(jī)械性能可以與傳統(tǒng)的CuCrZr合金相媲美。除了L-PBF制備CuCrZr外，HLADED和AW-DED制備的CuCrZr樣品的平均UTS（～258.7MPa）略高于AW-DED樣品（～232MPa）。同時(shí)HLADED樣品的平均伸長率（～41.8%）略高于AW-DED樣品（～37%）。與現(xiàn)成的L-PBF制備CuCrZr合金相比，HLADED和AW-DED制備CuCrZr合金的拉伸性能優(yōu)于大多數(shù)L-PBF制備的CuCrZr合金。HLADED和AW-DED制備的CuCrZr合金均表現(xiàn)出較好的延展性。HLADED樣品的拉伸性能優(yōu)于AW-DED樣品。造成這種現(xiàn)象的原因可以用以下三個(gè)因素來解釋。首先在HLADE過程中，激光能量輸入對(duì)晶粒進(jìn)行細(xì)化，導(dǎo)致晶粒細(xì)化。細(xì)化的柱狀晶具有較大的晶界以阻止位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，強(qiáng)化合金。其次隨著激光能量的輸入，Cr均勻地析出在銅基體中，從而強(qiáng)化合金。第三，如前所述，HLADED樣品的析出想含量遠(yuǎn)高于AW-DED樣品，這是HLADED樣品優(yōu)越的力學(xué)性能的原因。到目前為止，沒有關(guān)于EB-PBF工藝構(gòu)建的CuCrZr合金拉伸性能的數(shù)據(jù)。

圖7 HLADED和AW-DED CuCrZr合金的拉伸性能：（a）AW-DED和（b）HLADED樣品的應(yīng)力-應(yīng)變曲線；（c）AW-DED樣品的微觀組織和（d）Cr沉淀；（e） HLADED樣品的微觀組織和（f）Cr沉淀；（g，h）AW-DED樣品的斷口；（i，j）HLADE樣品的斷口

2. 增材制造CuCrZr合金的各向異性

AM的CuCrZr合金存在拉伸性能各向異性，各向異性源于柱狀晶結(jié)構(gòu)，是由于AM過程中的高熱梯度和凝固速率引起的。由于銅合金具有更高的導(dǎo)熱系數(shù)，因此在AM過程中熱梯度更大，導(dǎo)致柱狀晶粒尺寸較大。L-PBF制備CuCrZr合金的拉伸各向異性如圖8a所示。在25°C、204°C和427°C下樣品拉伸試驗(yàn)結(jié)果如圖8b所示。樣品在水平面和傾斜平面上的抗拉強(qiáng)度略高于垂直面。在水平面上更好的延展性歸因于柱狀晶結(jié)構(gòu)。位錯(cuò)可以在不跨越晶界的情況下更容易向打印方向移動(dòng)，位錯(cuò)堆積沿晶界充當(dāng)微裂紋，導(dǎo)致延展性降低。樣品在垂直面、傾斜面和水平面的斷裂特征基本類似，斷口中分布著許多韌窩。此外也存在一些缺陷，如未熔化的粉末顆粒。這些缺陷可以作為裂紋萌生部位，對(duì)機(jī)械性能產(chǎn)生壞處。柱狀晶粒（平均尺寸：24.2±21.2μm）平行于構(gòu)建方向生長。樣品在傾斜和水平面上的平均晶粒尺寸分別為16.1±3.7μm和12.2±2.3μm。當(dāng)測試溫度升高（高達(dá)427°C）時(shí)，所有樣品的抗拉強(qiáng)度都會(huì)降低，大多數(shù)樣品的伸長率也會(huì)降低（圖8）。

圖8 L-PBF CuCrZr樣品的拉伸各向異性：（a）具有不同取向的L-PBF CuCrZr樣品的示意圖；（b）樣品在室溫（25°C）、204 °C和427 °C下的拉伸性能；（c-e）SEM分別顯示垂直，傾斜和水平平面斷裂表面（在25°C下測試）；（f-h）垂直、傾斜和水平平面的CuCrZr的EBSD

3. 增材制造CuCrZr合金的導(dǎo)電率和導(dǎo)熱率

表1列出了近報(bào)道的L-PBF CuCrZr合金的電導(dǎo)率和熱導(dǎo)率。大多數(shù)打印的L-PBF CuCrZr合金具有相對(duì)較低的導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性（～100W/mK），這是由于L-PBF過程中的高冷卻速率在微觀結(jié)構(gòu)中形成高密度位錯(cuò)和高熱殘余應(yīng)力。此外Cr和Zr原子溶解在Cu基體中，形成過飽和固溶體，導(dǎo)致電導(dǎo)率和熱導(dǎo)率性能較差。此外銅合金中的一些工藝引起的缺陷，如氣孔、裂紋和未熔化的粉末，以及Fe、O、Si等雜質(zhì)會(huì)導(dǎo)致低導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性。直接時(shí)效處理后熱性能有所改善（239-320W/mK）。固溶退火和時(shí)效處理后，導(dǎo)熱系數(shù)急劇增加到297-368W/mK。熱處理合金導(dǎo)熱系數(shù)提高主要是由于熱處理過程中熱應(yīng)力的緩解，位錯(cuò)密度的降低和溶解的Cr/Zr原子析出。通常導(dǎo)熱系數(shù)隨著直接時(shí)效時(shí)間（0.5-6h）或時(shí)效溫度（420-650°C）的增加而增加，熱導(dǎo)率達(dá)到大值（～330W/mK，相當(dāng)于～80%IACS）。到目前為止還沒有關(guān)于AW-DED或HLADED制備CuCrZr合金的熱導(dǎo)率數(shù)據(jù)。

表1 室溫下CuCrZr合金導(dǎo)熱率和電導(dǎo)率

4. 不同增材制造工藝制備CuCrZr的總結(jié)

不同凝固速率和熱梯度導(dǎo)致CuCrZr合金產(chǎn)生不同的微觀組織結(jié)構(gòu)，從而導(dǎo)致銅合金具有不同性能。圖9是近年來各種AM制備CuCrZ合金工藝、后熱處理以及微觀結(jié)構(gòu)和性能。通過DED工藝制造的CuCrZr合金具有高導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性。與PBF制備的CuCrZr合金相比，相對(duì)較低的凝固速率和較高的吸收率（95%）是更好的熱性能的原因。對(duì)熱源的高吸收使得在DED工藝中很容易構(gòu)建CuCrZr合金。由于納米尺度或介觀尺度的Cr/Cr2在DED過程中析出，CuCrZr合金具有很高的抗拉強(qiáng)度，避免了時(shí)效處理。

圖9 不同AM CuCrZr合金的不同AM工藝，微觀結(jié)構(gòu)和性能

5. 觀點(diǎn)和結(jié)論

對(duì)現(xiàn)有文獻(xiàn)的分析，大多數(shù)關(guān)于AM CuCrZr合金的研究工作主要研究室溫下打印工藝，機(jī)械，電氣和熱性能的優(yōu)化，以及AM工藝和后熱處理過程中微觀結(jié)構(gòu)的演變。圖10表明未來AM CuCrZr的發(fā)展趨勢。由于CuCrZr合金的高反射率和高導(dǎo)熱性，通過AM工藝打印銅部件仍然具有挑戰(zhàn)性。有一些方法可以解決這些問題。首先，對(duì)粉末進(jìn)行改性以提高對(duì)激光的吸收率。其次，通過采用短波長激光，如綠光激光（波長：515nm或532nm）和藍(lán)色二極管激光器（波長：450nm）制備樣品，可以大大提高純銅或銅合金對(duì)激光能量的吸收率。未來需要進(jìn)一步研究短波長激光打印的L-PBF CuCrZr合金。第三，通過優(yōu)化建筑參數(shù)，可以控制銅合金的吸收率和微觀結(jié)構(gòu)。第四，采用另一種AM工藝，如EB-PBF和DED工藝，可以避免加工時(shí)的高反射率。

圖10 AM CuCrZr合金發(fā)展趨勢

后作者團(tuán)隊(duì)表明，由于L-PBF工藝制備大組件非常耗時(shí)，因此預(yù)測未來HLADED工藝可能是高效打印燃燒室和其他零件的趨勢。此外，可以進(jìn)一步探索優(yōu)化的打印參數(shù)，以制備全密度構(gòu)件。為提高性能，AM合金需要進(jìn)行熱處理。然而目前大多數(shù)研究工作尚未對(duì)AM制備CuCrZr合金經(jīng)過熱等靜壓處理后的力學(xué)和熱性能進(jìn)行研究。盡管在增材制造過程中會(huì)析出一些強(qiáng)化顆粒，但有必要對(duì)樣品進(jìn)行熱等靜壓處理，以減少工藝引起的缺陷，從而提高性能。目前只有少數(shù)關(guān)于通過EB-PBF，LP-DED，AW-DED和HLADE工藝制備的CuCrZr合金的研究。到目前為止，大多數(shù)研究人員都專注于AM制備CuCrZr合金在室溫下的機(jī)械，電和熱性能。由于CuCrZr組件的極端服役環(huán)境，未來需要研究更多實(shí)驗(yàn)，如蠕變測試，疲勞測試，高溫下的熱拉伸測試等。