不同粉末参数下选择性激光熔化Cu10Sn合金的力学性能、摩擦学性能及可加工性研究

为解决Cu10Sn合金在选择性激光熔化(SLM)中因高激光反射率和导热性导致的成形难题，研究人员系统探究了粉末参数（平均粒径D50、粒径分布Span和铺粉厚度）对样品相对密度、硬度及摩擦学性能的影响。结果表明，粉末参数通过改变颗粒堆积特性显著提升粉末层激光吸收率，最优参数组合下样品相对密度达99.97%，X-Z和X-Y平面显微硬度分别达181.10 HV和168.04 HV。该研究为高反射材料SLM工艺优化提供了新思路，对推动铜锡合金在电力、船舶等工业领域应用具有重要意义。

　　

铜锡合金(Cu-Sn)因其优异的机械性能、耐腐蚀性和导电性，在电力传输、船舶工程等领域具有重要应用价值。然而传统铸造工艺易产生成分偏析、粗晶等缺陷，而新兴的选择性激光熔化(SLM)技术虽能实现复杂结构近全致密成形，却面临铜合金高激光反射率和导热性导致的成形难题。目前研究多聚焦激光工艺参数优化，但粉末特性对成形质量的影响长期被忽视。

针对这一瓶颈，辽宁工业大学冯硕团队在《Journal of Materials Research and Technology》发表研究，首次系统探究了粉末参数对SLM成形Cu10Sn合金性能的影响机制。研究人员通过正交试验设计，结合离散元(DEM)和计算流体力学(CFD)模拟，揭示了粉末堆积特性与熔池演变的关联规律，并阐明了表面孔隙与硬度的协同摩擦学效应。

关键技术方法包括：1) 采用气雾化法制备9种不同D₅₀(25-35 μm)和Span(0.93-1.38)的Cu10Sn粉末；2) 基于YC300系统进行SLM成形，激光功率350W，扫描速度600mm/s；3) 通过阿基米德法和图像分析法测定样品密度；4) 结合Vickers硬度仪和UMT-2摩擦磨损试验机评价力学性能；5) 采用DEM模拟粉末铺展过程，CFD模拟熔池动力学行为。

粉末特性分析表明：

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  粒径分布Span对粉末堆积密度影响最显著，Span=1.38时堆积密度达5.168 g/cm³，比Span=0.93提高10.5%

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  DEM模拟显示高堆积密度粉末可减少力拱效应，铺粉厚度40μm时粉末床密度提升21%

熔池形成机制研究发现：

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  激光吸收系数计算模型显示，高Span粉末层吸收率可达0.427，促使熔池从传导模式(N=0.3)向匙孔模式(N>0.5)转变

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  CFD模拟揭示匙孔孔隙形成机制：蒸汽反冲压力诱发熔池失稳→气泡被涡流捕获→在凝固界面形成球形孔隙

性能优化结果表明：

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  最优参数组合(D₅₀=30μm, Span=1.38, 层厚40μm)使样品相对密度达99.97%

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  X-Y平面硬度(181.10 HV)显著高于X-Z平面(168.04 HV)，EBSD分析证实这与细晶强化效应相关

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  摩擦学测试发现适度孔隙(5-8%)可容纳磨屑，使X-Z平面摩擦系数降低15%

这项研究突破了高反射材料SLM成形的技术瓶颈，建立了粉末参数-熔池特征-性能指标的定量关系。其创新性体现在：1) 提出通过调控Span优化粉末层能量吸收的新策略；2) 阐明熔池模式转变对晶粒细化的影响机制；3) 发现孔隙率与摩擦学性能的非单调关系。该成果为航空航天领域高性能铜合金部件的增材制造提供了理论支撑，同时开发的DEM-CFD耦合模型可为其他金属粉末SLM工艺开发提供参考。研究团队特别指出，未来可结合绿色激光器进一步降低能量损耗，推动铜合金增材制造的工业化应用。