采用双丝激光-电弧增材制造技术对Cu-Cr-Zr合金/316L不锈钢复合材料进行机械性能提升的机制研究

《Journal of Alloys and Compounds》：Mechanical property enhancement mechanism of Cu-Cr-Zr alloy/316 L stainless steel composites by double-wire laser-arc additive manufacturing

Cu-Cr-Zr合金/316L不锈钢复合材料通过双丝激光-电弧混合增材制造工艺制备，研究发现316L不锈钢含量从10%增至30%可使晶粒尺寸从87.4μm降至13.1μm，硬度达153.3±15.9 HV，抗拉强度提升至371.6±22.0 MPa（较基体提高27%），强化机制以晶粒细化主导。

　　

滕达·迪（Tengda Di）| 陈卓（Zhuo Chen）| 古崇宇（Chongyu Gu）| 梁晓康（Xiaokang Liang）| 牛方勇（Fangyong Niu）| 马光义（Guangyi Ma）| 吴东江（Dongjiang Wu）

中国大连理工大学高性能精密制造国家重点实验室，大连 116024

摘要

为了提高铜合金的机械性能并满足大推力火箭燃烧室内铜合金部件的使用要求，本研究采用双丝激光-电弧混合增材制造（LAHAM）技术制备了不同成分的Cu-Cr-Zr合金/316L不锈钢复合材料。本文阐明了316L不锈钢对复合材料微观结构细化及机械性能提升的机制。结果表明，复合材料中析出了微米级和纳米级的Fe相。这些Fe相为Cu基体提供了大量的异质形核位点，同时在空间上阻碍了Cu相晶粒的生长。随着316L含量的增加，异质形核位点数量也随之增加，从而显著细化了晶粒。具体而言，当316L含量从10%增加到30%时，复合材料的平均晶粒尺寸从87.4 μm降至13.1 μm，降低了80%以上。复合材料的显微硬度和室温抗拉强度随316L含量的增加而提高，其中30% 316L样品的显微硬度达到153.3±15.9 HV。30% 316L样品的极限抗拉强度为371.6 ± 22.0 MPa，比Cu-Cr-Zr合金LAHAM样品高出27%以上。复合材料的机械性能通过细晶强化、Ni元素扩散形成的固溶强化以及纳米级Fe相在Cu基体中的分布实现了强化，其中细晶强化和固溶强化作用最为显著。

引言

铜合金具有优异的导热性和导电性，以及耐腐蚀性等优良性能。在火箭推进室内，常利用铜合金的高导热性来降低火箭运行过程中产生的热量。然而，这些部件承受着较高的应力，而铜合金的机械性能相对较差，难以满足大推力火箭的使用要求。相比之下，316L不锈钢具有更高的比强度和更好的抗氧化性。铜合金/316L不锈钢复合材料的开发可以结合这两种材料的优点，在航空航天、汽车电子和轨道交通等领域展现出广阔的应用前景[1],[2],[3],[4],[5],[6]。

近年来，铜合金及其复合材料正朝着具有更高性能的整体复杂结构发展。增材制造技术已被广泛用于多材料部件的制造。与传统方法（如蒸发沉积和粉末冶金）相比，增材制造能够通过逐层堆积金属原料（如熔融粉末或金属丝）来实现复杂难熔金属材料的集成成型[7],[8],[9]。然而，对于铜合金/316L不锈钢复合材料而言，两种材料的热物理性质存在显著差异。采用传统增材制造技术制备的部件容易出现开裂、熔合不良和粗晶粒结构等问题[10],[11],[12],[13],[14]，这会影响部件在使用过程中的稳定性。为了获得性能更优的铜合金/316L不锈钢复合材料，探索创新的增材制造工艺方法至关重要。

LAHAM是一种将高能激光与电弧结合的新型制造技术。脉冲激光通过等离子体相互作用增强了电弧的浓度和稳定性，而电弧的作用则提高了激光能量的利用率[15]。此外，脉冲激光对熔池的搅拌作用有助于破坏粗大的柱状晶体并细化晶粒结构。马等人的研究[16]表明，采用LAHAM技术制备的Cu-Cr-Zr合金样品的晶粒尺寸比采用线弧增材制造（WAAM）制备的样品更细。史等人[17]发现，通过调整LAHAM工艺参数，可以获得优异的机械性能，其极限抗拉强度超过300 MPa，伸长率超过35%。刘等人[18],[19],[20],[21]发现，激光的引入使得LAHAM制备的Al-Zn-Mg-Cu合金中Zn、Mg和Cu元素及其纳米级析出相分布均匀，从而提高了材料的强度。总之，采用LAHAM技术制造的铜合金部件表现出比传统增材制造方法更优的性能，预示着该技术在铜合金/316L不锈钢复合材料生产中的广阔应用前景。

本研究采用双丝LAHAM工艺制备了Cu-Cr-Zr合金/316L不锈钢复合材料样品，并研究了不同比例316L不锈钢对复合材料微观结构和性能的影响。研究揭示了复合材料的微观结构细化和机械性能强化的机制，其结果可为LAHAM技术的应用提供理论指导和工艺支持。

材料与方法

本研究使用的焊接丝材为直径1.0 mm的Cu-Cr-Zr合金和316L不锈钢。基底为厚度为16 mm的316L不锈钢，两种材料的成分详见表1。LAHAM系统包括Miller Dynasty 200 DX TIG焊机、LMT-5040精密CNC机床、最大输出功率为500 W的JK701H Nd:YAG固态脉冲激光器以及两个送丝装置。

宏观形貌与相组成

图2展示了三种复合薄壁样品的宏观形貌。从图2(a)可以看出，10% 316L样品中的Cu相晶粒呈柱状树枝晶，且晶粒沿垂直于基体的方向生长。这主要是由于铜具有很强的导热性，在增材制造过程中基体方向上的温度梯度最大[22]，因此形成的部件内部晶粒呈柱状。

结论

本研究通过双丝LAHAM工艺成功制备了三种Cu-Cr-Zr合金/316L不锈钢复合材料样品，证明了该工艺用于制备金属复合材料的可行性。研究揭示了316L不锈钢材料对复合材料微观结构细化和机械性能提升的机制，得出以下结论：

(1) 这三种复合材料均由...

作者贡献声明

古崇宇（Chongyu Gu）： 数据整理。陈卓（Zhuo Chen）： 资源获取、方法设计、实验研究、概念构思。滕达·迪（Tengda Di）： 文章撰写与审稿编辑、初稿撰写、数据整理。吴东江（Dongjiang Wu）： 监督指导、方法设计。马光义（Guangyi Ma）： 资源获取、项目管理。牛方勇（Fangyong Niu）： 数据整理。梁晓康（Xiaokang Liang）： 监督指导。

利益冲突声明

本文作者包括研究生和教授。提交本稿件时不存在任何利益冲突，所有作者均同意发表该稿件。

致谢

作者感谢国家自然科学基金（项目编号：52175291）和中央高校基本科研业务费（项目编号：DUT23YG116）的资助。

利益冲突声明

作者声明不存在可能影响本文研究的已知财务利益冲突或个人关系。