定向能量沉积的含CuNiAl的低合金钢的机械性能直接受到老化的影响

《Journal of Materials Research and Technology》：Direct aging effect on the mechanical properties of directed energy deposited CuNiAl-containing low-alloy steel

研究CuNiAl低合金钢通过直接时效（DA）处理对机械性能的影响。采用响应面法优化了 Directed Energy Deposition（DED）参数，发现DA处理使硬度从155 Hv升至256 Hv（DA-12），强度达660 MPa，但长时间时效（DA-48）导致晶粒长大至49.3 μm和Cu相结构转变，硬度下降。TEM分析表明，500°C时效诱导NiAl纳米析出与Cu-rich相共析，析出尺寸随时效时间增加。拉伸测试显示时效时间影响屈服比和应变硬化指数，导致延展性降低。结论：CuNiAl钢通过低Ni含量实现高强可焊，适合增材制造。

　　### 本研究的背景与意义

近年来，随着金属增材制造（Additive Manufacturing, AM）技术的迅速发展，对新型材料的探索也日益深入。特别是在结构材料领域，具有优异机械性能和良好工艺适应性的材料成为研究的热点。CuNiAl合金钢作为一种含有铜、镍和铝的低合金钢，因其良好的焊接性能和可加工性，被认为在增材制造中具有广泛应用潜力。然而，尽管其具备一定的工艺优势，目前对这类合金在增材制造过程中的微观结构演化及其对机械性能的影响研究仍较为有限。因此，本研究聚焦于CuNiAl合金钢在定向能量沉积（Directed Energy Deposition, DED）工艺下的表现，并探讨其在直接时效处理（Direct Aging, DA）过程中所发生的微观结构变化及其对材料性能的影响。

本研究的目的是通过优化加工参数和控制时效时间，评估CuNiAl合金钢在DED工艺下的机械性能，并进一步研究其在时效处理过程中所形成的纳米析出相对材料强度和硬度的影响。此外，研究还关注了时效时间对材料内部晶粒结构变化的调控作用，以及析出相与基体之间的相互作用机制。通过这些研究，期望能够为CuNiAl合金钢在增材制造中的应用提供理论支持，并为其在高强低镍马氏体钢领域中的替代性发展奠定基础。

### 实验方法与工艺优化

为了实现CuNiAl合金钢在DED工艺下的有效制造，本研究首先对合金粉体进行了系统分析。所使用的CuNiAl合金钢粉末由MK Metals公司制造，采用气体雾化法得到。粉末的化学成分表明，其主要成分为铁，辅以少量铜、镍和铝，且不含其他显著的杂质元素，如碳和氮。这一特性使得该合金在增材制造过程中不会因杂质元素的分布而产生严重的组织不均匀性，从而有利于形成均匀的微观结构。

在DED工艺中，激光功率、扫描速度和粉末供给速率是影响材料性能的关键参数。为确保加工质量，本研究通过响应面法（Response Surface Methodology, RSM）对这些参数进行了系统优化。实验中使用了24个试样，分别对应不同的加工参数组合。结果表明，激光功率设置为220 W，扫描速度设置为860 mm/min时，可以实现最高的相对密度和接近100%的尺寸精度。这种优化不仅有助于减少材料中的孔隙率，还能够确保试样在后续的力学性能测试中具有良好的一致性。

为了验证材料的时效行为，本研究采用500°C的直接时效处理，这是传统CuNiAl合金钢制造中常用的时效温度。通过Vickers硬度测试，确定了最佳时效时间为12小时，此时材料的硬度达到峰值（256 Hv）。这一发现为后续的时效处理提供了理论依据，并为材料的性能调控提供了方向。

### 微观结构演变与机械性能关系

在直接时效处理过程中，CuNiAl合金钢的微观结构发生了显著变化。通过扫描电镜（SEM）和透射电镜（TEM）的观察，可以发现时效处理促进了B2-NiAl相和铜富集相的共析出。这些析出相的尺寸随着时效时间的延长而增大，从而增强了材料的硬度。特别是在时效时间为12小时时，析出相的尺寸达到最大，硬度也随之达到峰值。然而，随着时效时间进一步延长，析出相的尺寸增长速度减缓，硬度逐渐下降。这表明，材料的硬度不仅受到析出相数量的影响，还与析出相的尺寸密切相关。

此外，时效处理还导致了晶粒的长大。在短时效条件下（如时效至12小时），晶粒尺寸基本保持不变；但在长时效条件下（如时效至48小时），晶粒尺寸显著增加，从18.2 μm增长至49.3 μm。这一现象可能与晶界迁移和再结晶有关，表明时效处理不仅改变了析出相的分布，还对晶粒结构产生了深远影响。

通过力学性能测试，研究进一步揭示了时效处理对材料强度和延展性的影响。随着时效时间的延长，材料的屈服强度和抗拉强度显著提高，但总延伸率却大幅下降。这种强度与延展性的权衡关系表明，时效处理虽然能够增强材料的强度，但可能会牺牲其延展性。这一现象与析出相的尺寸增长和晶粒结构的变化密切相关，因为析出相的增加和晶粒的长大都会影响材料的塑性变形能力。

### 析出相与材料性能的相互作用

析出相的形成和演变是影响CuNiAl合金钢性能的关键因素之一。研究发现，B2-NiAl相和铜富集相在时效处理过程中同时析出，且其尺寸随着时效时间的增加而增大。这种析出相的增加不仅增强了材料的硬度，还通过析出强化机制提高了其屈服强度。然而，随着时效时间的延长，析出相的尺寸增长逐渐趋于饱和，导致硬度的下降。这一现象表明，析出相的强化效应存在一个极限，超过该极限后，材料的硬度反而会下降。

同时，析出相的结构变化也对材料性能产生了重要影响。在时效时间较短时，析出相主要以BCC结构存在，而在时效时间较长时，部分铜富集相从BCC结构转变为9R结构。这种结构转变可能影响析出相与基体之间的界面特性，从而改变其对材料强度的贡献。此外，析出相的分布和数量变化也对材料的塑性变形行为产生了影响，特别是在时效处理后的断续屈服现象中。

### 强化机制的分析

本研究还探讨了CuNiAl合金钢的多种强化机制。其中，晶界强化和析出强化是主要的两种机制。晶界强化通过晶粒尺寸的减小来提高材料的强度，而析出强化则通过析出相的形成和分布来增强材料的硬度。根据Hall-Petch关系，晶粒尺寸的减小能够显著提高材料的强度，但在时效时间较长时，晶粒尺寸的增大会导致晶界强化效应减弱。因此，晶粒尺寸的控制对于材料性能的优化至关重要。

析出强化则主要依赖于析出相的尺寸和分布。在时效初期，析出相的尺寸较小，但由于其数量的增加，析出相的强化效应显著。随着时效时间的延长，析出相的尺寸增大，但数量减少，导致其对材料硬度的贡献逐渐下降。此外，析出相的结构变化也可能影响其对材料的强化效果。例如，9R结构的析出相相比BCC结构的析出相具有较弱的强化作用，因此其在材料性能中的贡献相对较小。

### 材料性能的优化与应用前景

本研究的实验结果表明，CuNiAl合金钢在DED工艺下具有良好的加工性能和机械性能。通过优化加工参数，可以实现接近100%的尺寸精度和高相对密度，这为该材料在增材制造中的应用提供了基础。同时，时效处理能够显著提高材料的硬度和强度，使其在某些应用场景中具有竞争优势。然而，时效处理的时间控制和析出相的调控仍然是未来研究的重要方向。

此外，研究还指出，CuNiAl合金钢在增材制造过程中可以避免传统高镍马氏体钢的一些缺点，如焊接性能差和制造成本高。因此，CuNiAl合金钢可能成为一种具有广泛应用前景的替代材料。未来的研究可以进一步探索如何通过调整合金成分和加工参数，缩短时效时间，从而提高材料的加工效率和性能稳定性。

### 未来研究方向与应用建议

尽管本研究取得了重要进展，但仍有一些问题需要进一步探索。首先，析出相的精确量化仍然是一个挑战。由于高分辨率透射电镜（HRTEM）图像在析出相尺寸和分布的测量中存在一定的局限性，因此需要结合其他分析手段，如原子探针断层扫描（Atom Probe Tomography, APT），以获得更准确的析出相信息。其次，时效处理对材料性能的影响不仅限于硬度和强度，还可能涉及其他重要性能，如各向异性、冲击韧性以及疲劳性能。因此，未来的研究应进一步评估这些性能，以确保材料在实际应用中的可靠性。

此外，研究还指出，铜含量的调整可能对析出相的形成和时效行为产生重要影响。虽然当前研究采用的是低铜含量（<10 wt%），但在某些情况下，增加铜含量可能有助于更快地诱导析出相的形成。然而，过高的铜含量可能导致液相裂纹，因此需要在铜含量与裂纹风险之间找到平衡点。未来的研究可以尝试在铜含量为5–10 wt%的范围内进行实验，以探索最佳的析出相形成条件。

最后，研究还强调了在增材制造过程中，如何通过调整加工参数和时效条件，实现材料性能的进一步优化。例如，通过优化激光功率和扫描速度，可以控制材料的熔池形态和晶粒结构，从而影响其最终性能。同时，结合不同的后处理工艺，如退火和时效处理，可以进一步调控材料的微观结构，提高其综合性能。

### 结论

综上所述，CuNiAl合金钢在增材制造过程中表现出良好的工艺适应性和机械性能。通过优化加工参数和时效处理条件，可以实现材料硬度和强度的显著提升。然而，时效处理时间的延长会导致析出相的尺寸增长趋于饱和，从而降低材料的硬度。此外，晶粒的长大也会对材料的延展性产生不利影响。因此，材料性能的优化需要在析出相的形成、晶粒结构的控制以及加工参数的调整之间取得平衡。

本研究的结果表明，CuNiAl合金钢在增材制造中具有广阔的应用前景，特别是在需要高强度和良好焊接性能的领域。未来的研究应进一步探索如何通过调整合金成分和加工参数，实现材料性能的进一步优化，并评估其在实际应用中的表现。此外，结合多种分析手段，如APT和电子背散射衍射（EBSD），可以更全面地了解材料的微观结构演变及其对性能的影响。这些研究将有助于推动CuNiAl合金钢在增材制造领域的应用和发展。