高温下增材制造CuCrZr合金的拉伸性能、热性能及微观结构演变

《Journal of Materials Research and Technology》：Tensile and thermal properties, and microstructural evolution of additive-manufactured CuCrZr alloy at elevated temperature

本研究针对激光增材制造（LAM）铜铬锆（CuCrZr）合金在高温下的热机械性能展开研究，通过激光粉末床熔融工艺制备合金并优化热处理参数，发现600℃时合金仍保持优异的拉伸强度（180 MPa）和热导率（290 W·m?1·K?1）。微观结构分析表明，高密度纳米级铬和锆富集颗粒、低堆垛层错能、不规则晶粒及亚晶界等特征有效抑制动态再结晶，从而提升高温性能。

　　在现代工业中，铜合金因其优异的导热性和机械性能而广泛应用于极端环境下的关键部件，如火箭发动机燃烧室和核反应堆的散热结构。然而，传统的铜合金加工方法通常难以满足这些高要求的应用场景，因为它们在高温下的性能往往下降显著。因此，近年来，研究者们将目光投向了增材制造（Additive Manufacturing, AM）技术，特别是激光粉末床熔融（Laser Powder Bed Fusion, LPBF）技术，希望通过该技术制造出具有更高强度和更好导热性的铜合金材料。本文将对一项关于激光增材制造铜-铬-锆（CuCrZr）合金在高温下性能的研究进行深入解读。

### 1. 铜合金的高温性能与研究背景

铜合金在极端环境下的应用对材料的性能提出了更高要求，尤其是在高温条件下，其机械强度和导热性可能会显著下降。目前，大多数研究集中在常温下的性能优化，而对高温性能的研究仍显不足。这使得在高温环境下服役的铜合金材料面临较大的挑战。为了应对这一问题，研究者们尝试通过不同的加工工艺和热处理方式，提升铜合金在高温下的性能。

在一些已有研究中，例如Zeng等人和Yang等人的工作，发现经过激光增材制造的CuCrZr合金在高温下的机械性能有所下降。例如，Zeng等人指出，当测试温度超过400°C时，合金的拉伸强度（Ultimate Tensile Strength, UTS）和延伸率（Elongation, EL）显著降低，而导热性（Thermal Conductivity, λ）也出现下降趋势。这表明，高温对铜合金的性能具有显著影响，尤其是在材料结构和晶界行为方面。

相比之下，Yang等人发现，在某些条件下，激光增材制造的CuCrZr合金在500°C时仍能保持较高的拉伸强度（约274 MPa）和良好的延伸率（约16%）。这一现象可能与材料内部的原位析出行为有关，即在高温下，铬和锆原子的析出可以有效增强材料的强度和延展性。此外，NASA在GRCop合金（一种铜-铬-铌合金）方面的研究也表明，这类材料在高温下能够保持较好的性能，主要归因于其内部形成的Laves相（Cr,Fe）?Nb和Cr?Nb析出物。

然而，这些研究大多集中在常温或较低温度下的性能表现，而对于高温下的材料行为，尤其是600°C以上的性能变化，仍然缺乏系统的分析。因此，本文的研究具有重要的现实意义，因为它探讨了激光增材制造的CuCrZr合金在高温下的性能变化机制，并提供了实验数据支持。

### 2. 研究材料与方法

本研究使用的材料为CuCrZr合金粉末，其化学成分在文献中已有明确记载，主要包含铜（Cu）作为基体元素，以及铬（Cr）和锆（Zr）作为合金元素。这些合金粉末通过气体雾化（Gas Atomization）技术制备，具有较高的球形度和一定的卫星结构，这有助于提高其在增材制造过程中的熔融效率和均匀性。

在制造过程中，采用了一种绿色激光（波长为515 nm）进行激光粉末床熔融（LPBF）处理，以减少材料对近红外（NIR）激光的反射率。此外，制造过程在氩气（Ar?）氛围中进行，以控制氧含量在100 ppm以下，从而保证材料的纯净度和性能稳定性。制造参数包括层厚（30 μm）、旋转角度（67°）、扫描速度（400 mm/s）、激光功率（485 W）、扫描间距（90 μm）和线偏移（40 μm），这些参数在之前的研究中已经进行了优化。

为了进一步提升材料的性能，对增材制造后的样品进行了直接时效硬化（Direct Aging Hardening, DAH）处理，即在500°C下保持1小时后，在氮气（N?）氛围中冷却。这种处理方式有助于改善材料的微观结构和力学性能。

在性能测试方面，采用了激光闪光法（Laser Flash Apparatus, LFA467）测量材料的热扩散率（Thermal Diffusivity, α(T)），并结合差示扫描量热法（Differential Scanning Calorimeter, DSC）测量比热容（Specific Heat Capacity, C(T)）。通过这些测试，可以计算出材料的导热性（λ(T)）。

在力学性能测试方面，对样品进行了拉伸测试，包括常温（25°C）和高温（100°C、300°C、500°C、600°C、700°C）下的测试。为了获得更精确的力学数据，采用了一种计算机数控（CNC）机床加工拉伸试样，并在Gleeble-3500热模拟机上进行高温拉伸测试。该设备配备了线性可变差动变压器（LVDT），用于测量拉伸过程中的位移和应变。

在微观结构分析方面，使用了扫描电子显微镜（Scanning Electron Microscopy, SEM）、电子背散射衍射（Electron Backscatter Diffraction, EBSD）和透射电子显微镜（Transmission Electron Microscopy, TEM）等技术。EBSD用于分析晶粒取向和晶界特征，而TEM则用于观察材料中的位错结构和析出物行为。此外，通过计算EBSD数据，可以得出材料的晶粒尺寸、位错密度和再结晶率等关键参数。

### 3. 高温性能的实验结果

实验结果表明，经过激光增材制造和时效处理的CuCrZr合金在600°C时仍能保持良好的拉伸性能。具体而言，其拉伸强度（UTS）为180 MPa，延伸率（EL）为6.1%，导热性（λ）约为290 W·m?1·K?1。这些性能指标表明，该合金在高温下仍具有一定的应用潜力。

在高温下，材料的导热性表现出一定的下降趋势。根据热扩散率和比热容的测试结果，随着温度的升高，热扩散率逐渐降低，而比热容则有所增加。这表明，材料的导热性在高温下受到多种因素的影响，包括晶界散射、位错密度变化和析出物的聚集行为。

在拉伸性能方面，材料在不同温度下的表现也有所不同。在100°C时，拉伸强度略有下降，但延伸率有所提高。在300°C时，拉伸强度和延伸率均有所增加，但在600°C时，材料开始出现脆性断裂的特征，其拉伸强度和延伸率均显著下降。这一现象可能与材料在高温下的再结晶行为和晶界结构变化有关。

### 4. 高温性能的机理分析

从微观结构的角度来看，材料在高温下的性能变化主要与以下几个因素有关：位错密度、晶界类型、析出物分布以及再结晶行为。

在高温下，材料中的位错密度显著降低，这是因为位错在高温下发生了动态再结晶（Dynamic Recrystallization, DRX）和静态再结晶（Static Recrystallization, SRX）过程。这些过程导致位错的重新排列和湮灭，从而降低了材料的强度。然而，由于材料中存在大量的纳米级铬和锆富集析出物，这些析出物可以有效地阻碍位错运动，从而在一定程度上维持材料的强度。

晶界类型的变化也是影响材料性能的重要因素。在高温下，低角度晶界（Low-Angle Grain Boundaries, LAGBs）逐渐转变为高角度晶界（High-Angle Grain Boundaries, HAGBs），这表明材料在高温下经历了显著的晶界迁移和再结晶过程。同时，材料中高密度的位错墙（Dense Dislocation Walls, DDWs）和低堆垛层错能（Low Stacking Fault Energy, SFE）也对材料的性能产生了影响。这些微观结构特征可以有效阻碍位错的滑移，从而提高材料的强度和延展性。

此外，材料中的纳米级析出物在高温下表现出一定的稳定性。这些析出物可以有效地阻碍晶界运动，从而减缓再结晶过程。然而，当温度进一步升高至700°C时，析出物开始发生聚集和结构变化，导致材料的导热性显著下降。这可能是由于析出物与晶界之间的相互作用，以及位错的散射效应所致。

### 5. 高温性能与其他铜合金的对比

与其他铜合金相比，本文研究的CuCrZr合金在高温下的性能表现较为优异。例如，与传统加工的CuCrZr合金（如C18150和C18200）相比，本文材料在600°C时仍能保持较高的拉伸强度和一定的延伸率。此外，与NASA开发的GRCop合金相比，本文材料的导热性也表现出一定的优势。

然而，需要注意的是，不同加工方法对材料的性能影响也较大。例如，电子束粉末床熔融（EB-PBF）工艺由于其较高的吸光率和较慢的冷却速率，通常能够形成更粗大且规则的晶粒结构，这在一定程度上提高了材料的导热性。相比之下，激光粉末床熔融（LPBF）工艺由于其快速的冷却速率，可能导致材料中存在更多的位错和不规则的晶粒结构，从而在高温下表现出较差的导热性。

此外，材料的晶粒取向和晶界特征也对高温性能产生影响。例如，材料中的{110}晶向在高温下逐渐转变为{111}晶向，这可能与材料内部的位错和析出物相互作用有关。这种晶向的变化可能导致材料在高温下的机械性能发生变化。

### 6. 结论与未来展望

综上所述，本文研究的CuCrZr合金在高温下表现出良好的机械性能和导热性，这主要归因于其独特的微观结构特征，包括高密度的位错、纳米级析出物和高角度晶界。这些结构特征在高温下能够有效阻碍位错运动，从而维持材料的强度和延展性。

然而，材料在700°C时表现出明显的脆性断裂特征，这表明其高温性能仍有待进一步优化。未来的研究可以考虑通过调整合金元素配比、优化增材制造参数以及改进热处理工艺，进一步提升材料在高温下的性能。此外，进一步的原位TEM和EBSD分析将有助于更深入地理解材料在高温下的微观结构演变过程，从而为工程应用提供理论支持。

总的来说，这项研究为开发高性能的激光增材制造铜合金提供了重要的实验依据和理论指导，特别是在高温环境下应用的潜力。未来的研究方向可能包括进一步优化材料的微观结构，提高其在高温下的综合性能，以及探索更多适用于极端环境的铜合金材料。