《Materials》：Process Optimization and Performance Evaluation of CuCrZr Alloy Deposited by Blue–Near-Infrared Hybrid Laser Directed Energy Deposition
编辑推荐：
摘要专业翻译
T2纯铜的高热导率和低近红外激光初始吸收率阻碍了成分相近的CuCrZr合金在其表面的稳定沉积。本研究采用蓝-近红外复合激光定向能量沉积（laser directed energy deposition, L-DED）技术，以15%为目标稀释率，在
摘要专业翻译
T2纯铜的高热导率和低近红外激光初始吸收率阻碍了成分相近的CuCrZr合金在其表面的稳定沉积。本研究采用蓝-近红外复合激光定向能量沉积（laser directed energy deposition, L-DED）技术，以15%为目标稀释率，在T2纯铜表面沉积CuCrZr合金。通过单因素实验建立工艺窗口；田口（Taguchi）正交实验、信噪比（signal-to-noise ratio, S/N ratio）分析和方差分析（analysis of variance, ANOVA）确定优化参数。独立重复实验以及微观组织与性能表征验证了优化结果。FLOW-3D模拟辅助分析了沉积成形与界面熔合过程。在所研究的工艺窗口内，扫描速度和搭接间距是影响稀释率的主要因素。优化后的近红外激光功率、送粉速率、扫描速度和搭接间距分别为2700 W、12 g/min、18 mm/s和0.7 mm。验证实验获得平均稀释率为14.81%，沉积层横截面完整、界面连续。CT测量表明，采用该参数制备的试样相对密度约为99.99%。与基体相比，平均显微硬度提高15.90%，平均摩擦系数降低20.5%，磨损体积和比磨损率均降低49.9%。本研究为纯铜表面稳定沉积CuCrZr合金及表面强化提供了工艺基础。
论文解读文章
一、研究背景与意义
铜及铜合金具有优异的导电性、导热性和服役稳定性，广泛应用于电气电子、航空航天和先进装备等领域。T2纯铜具有高导电和高导热性能，但在摩擦接触和颗粒交互作用下，铜构件表面易产生犁沟、微裂纹和材料损失，表面磨损严重，亟需提高表面耐磨性。激光定向能量沉积（L-DED）技术可在基体表面实现局部材料添加和冶金结合，为铜及铜合金表面改性提供了可行途径。然而，铜及铜合金表面激光熔覆研究仍较为有限，尤其是成分相近的铜合金在纯铜基体上的稳定沉积缺乏系统性研究。
铜对近红外激光的初始吸收率低，大量入射能量被表面反射，限制了激光能量的有效利用；其高热导率又使吸收的热量迅速向基体散失，阻碍局部热量积累和稳定熔池形成。蓝激光对纯铜具有显著更高的熔化效率，但单个蓝光半导体激光单元输出功率有限，通过光束合束提高总输出功率后，在光束亮度和能量集中度方面仍存在局限。一旦设备最大蓝激光输出达到上限，仅调节蓝激光功率无法进一步扩展总热输入范围。近红外激光可补充热输入，同时保留蓝激光的吸收优势，形成蓝-近红外复合激光加工方法。然而，蓝-近红外复合激光沉积铜及铜合金的研究极少，CuCrZr在T2纯铜基体上的沉积工艺参数效应仍需系统研究。
二、研究内容与主要结论
本研究采用蓝-近红外复合激光L-DED技术，系统研究了CuCrZr合金在T2纯铜表面的沉积可行性及其表面强化效果。在固定蓝激光功率的条件下，通过单因素实验考察了近红外激光功率、送粉速率、扫描速度和搭接间距对沉积成形和界面熔合的影响，建立了连续稳定沉积的工艺窗口。随后采用田口正交实验设计评估各工艺因素的主效应，筛选合适的参数组合，并通过重复沉积实验验证其稳定性。最后对优化参数制备的沉积层进行了微观组织、显微硬度和摩擦学性能表征，并与T2纯铜基体进行了对比。
研究得出以下主要结论：在所筛选的正交实验窗口内，扫描速度和搭接间距是影响稀释率的主要因素，贡献率分别为43.91%和39.00%；优化后的近红外激光功率2700 W、送粉速率12 g/min、扫描速度18 mm/s、搭接间距0.7 mm，验证实验平均稀释率为14.81%，标准差为0.37个百分点，沉积层横截面完整、界面连续；CT检测区域相对密度约为99.9912%；与基体相比，沉积层平均显微硬度提高15.90%，平均摩擦系数降低20.5%，磨损体积和比磨损率均降低49.9%。该研究为纯铜表面稳定沉积CuCrZr合金及表面强化提供了工艺依据。
三、主要关键技术方法
研究人员自主搭建了蓝-近红外复合激光L-DED系统，由近红外激光（波长1080±20 nm，最大功率3000 W）、蓝激光（波长455±10 nm，最大功率1000 W）、环形同轴送粉系统、工业机器人运动控制系统和过程监控系统组成。沉积材料为CuCrZr合金粉末（宁波中源先进材料科技有限公司生产，气雾化法制备，标称粒径53–105 μm），基体为T2纯铜板（135 mm×100 mm×10 mm）。采用单因素实验建立工艺窗口，田口L16（4?）正交实验结合望目特性信噪比分析和方差分析优化参数。使用光学显微镜、扫描电子显微镜（SEM）、电子背散射衍射（EBSD）、X射线显微镜（CT）进行微观组织和缺陷表征，采用维氏硬度计和摩擦磨损试验机进行力学与摩擦学性能测试，并使用FLOW-3D进行多道沉积数值模拟。
四、研究结果
4.1 单因素实验结果与工艺窗口确定
初步试验中，800 W蓝激光与2900 W近红外激光组合未能实现CuCrZr在T2纯铜上的稳定沉积，将蓝激光功率提高至1000 W后实现稳定沉积。单因素实验结果表明：近红外激光功率从1500 W增至2900 W时，沉积高度总体略有增加，熔深总体略有下降，稀释率总体呈波动下降趋势；2100–2700 W范围内结合效率高于90%，符合筛选标准。送粉速率从7增至15 g/min时，沉积高度总体增加；10–13 g/min范围内稀释率约17–27%，结合效率均高于90%。扫描速度从6增至22 mm/s时，沉积高度总体下降，稀释率总体上升；12–18 mm/s范围内满足筛选标准。搭接间距从0.3增至1.1 mm时，多道沉积横截面由高窄变为宽扁；0.6–0.9 mm范围内结合效率约91–95%，满足筛选标准，而1.0和1.1 mm时搭接区出现孔隙。最终确定四因素四水平用于正交实验。
4.2 正交实验结果与信噪比分析
基于L16（4?）正交阵列进行实验，16组实验的平均稀释率范围为7.13%–21.04%。采用望目特性信噪比分析，以15%为目标值，计算各组重复实验结果的均方偏差并转换为信噪比。各因素最高平均信噪比对应水平为：近红外激光功率2700 W（A4）、送粉速率12 g/min（B3）、扫描速度18 mm/s（C4）、搭接间距0.7 mm（D3），确定A4B3C4D3为优化参数组合。
4.3 方差分析
对正交实验原始稀释率数据进行方差分析，送粉速率、扫描速度和搭接间距的p值分别为2.54×10??、1.85×10?1?和1.05×10?13，均小于0.05，影响显著；近红外激光功率p值为0.063，影响不显著。各因素贡献率排序为：扫描速度（43.91%）> 搭接间距（39.00%）> 送粉速率（7.52%）> 近红外激光功率（1.78%）。
4.4 优化参数验证与横截面成形结果
采用优化参数制备三条独立沉积道，稀释率分别为14.59%、14.60%和15.23%，平均14.81%，标准差0.37个百分点，与15%目标的相对偏差仅1.29%。三条沉积道均形成完整横截面，沉积层与基体界面连续。EBSD分析显示，基体以等轴晶为主，沉积层内部以从熔合线向弧形沉积表面延伸的拉长晶粒为主，顶部和两侧晶粒较小，晶粒等效圆直径最小6.3 μm、最大134.7 μm、平均21.4 μm。CT分析显示，多层多道沉积试样所选ROI区域体积孔隙率为0.008846%，相对密度约99.9912%。
4.5 显微硬度与摩擦学性能
显微硬度测试显示，沉积区R1–R4行平均显微硬度分别为78.54、75.32、70.75和67.88 HV0.2，逐行递减；基体区R5–R8行分别为65.56、61.38、62.41和62.36 HV0.2，R6–R8保持相对稳定。沉积区16点总体平均硬度为72.93 HV0.2，基体区为62.93 HV0.2，沉积区提高15.90%。摩擦磨损试验中，基体平均摩擦系数为0.551，沉积层为0.438，降低20.5%。基体平均磨损体积为0.831±0.018 mm3，沉积层为0.416±0.024 mm3；比磨损率分别为5.54×10??和2.78×10?? mm3/(N·m)，磨损体积和比磨损率均降低49.9%。
4.6 单道与双道沉积温度场和熔池流动数值模拟
FLOW-3D模拟显示，单道沉积时高温区域集中于移动热源附近，沿扫描路径存在热尾，熔池内速度矢量分布相对对称，表面流动与内部回流形成循环模式。双道沉积时，第二道熔池速度矢量分布明显偏移、对称性降低，局部高速区域更显著，横截面流动分布与单道不同。这反映了前一道沉积材料造成的局部几何和热历史差异，以及重熔对温度梯度和熔体流动的影响。
五、讨论与结论
讨论部分指出，优化参数组合平衡了粉末熔化、材料堆积、基体熔化和相邻道间熔合。扫描速度和搭接间距对稀释率影响大于近红外激光功率，这与铜对近红外激光初始吸收率低、大量能量被反射有关。低稀释率（2.34%）试样在结合区出现孔隙和裂纹并向沉积层扩展，与局部结合不足和冷却收缩产生的热应力有关；高稀释率（45.34%）试样横截面宽扁、沉积高度低；优化参数试样（稀释率15.61%）横截面完整、界面连续、无明显缺陷。沉积层中拉长晶粒与定向凝固相关，细小晶粒与局部温度梯度和形核条件差异有关，晶界对位错运动的阻碍解释了硬度提升。较高的相对密度减少了接触区薄弱位置，微观组织约束了塑性变形和材料迁移，共同改善了耐磨性。熔池循环主要由表面张力差驱动的马兰戈尼效应（Marangoni effect）引起，双道沉积时搭接区流动不对称有助于相邻道间熔合。
研究结论为：（1）工艺参数对沉积成形和稀释行为影响不同，扫描速度和搭接间距是影响稀释率的主要因素，贡献率分别为43.91%和39.00%；（2）优化参数为近红外激光功率2700 W、送粉速率12 g/min、扫描速度18 mm/s、搭接间距0.7 mm，验证实验平均稀释率14.81%，沉积层横截面完整、界面连续，CT检测区域相对密度约99.9912%；（3）FLOW-3D模拟显示高温区域集中于移动热源附近，熔池内存在循环流动，第二道沉积时流动分布偏移；EBSD显示沉积层以拉长晶粒为主，顶部和两侧晶粒较小；沉积层平均显微硬度比T2纯铜提高15.90%，平均摩擦系数降低20.5%，磨损体积和比磨损率均降低49.9%，CuCrZr沉积层有效改善了T2纯铜的表面硬度和耐磨性。
