原位激光重熔技术实现了LPBF（激光粉末熔积）制备的Cu-Cr-Zr合金在强度与延展性方面的协同提升

《Materials Science and Engineering: A》：In-situ laser remelting enabling strength-ductility synergy in LPBF-fabricated Cu-Cr-Zr alloy

激光粉末床熔融（LPBF）制备的Cu-Cr-Zr合金存在强度-延展性协同不足问题。本研究提出在LPBF过程中实施激光重熔和时效处理策略，通过重熔形成异质柱状-等轴晶结构并析出纳米级Cr和Cu8Zr3相，使抗拉强度提升至531 MPa，延伸率达26.6%，同时保持69.5% IACS电导率。异质变形强化贡献达226 MPa，为复杂构件制造提供了新方法。

　　

王彦芳|黄世奎|马成宇|马文军|曹飞|杨文豪|江一辉|梁淑华

西安理工大学材料科学与工程学院，中国陕西省西安市710048

摘要

激光粉末床熔融（LPBF）技术能够以前所未有的自由度制造出几何形状复杂的铜合金部件。然而，通过LPBF技术制造的铜合金仍存在强度-延展性协同效应有限的问题，这限制了其在特定应用中的性能和功能的充分发挥。本文报道了一种在LPBF过程中对Cu-Cr-Zr合金进行原位激光重熔和时效处理的策略。研究发现，通过重熔处理，形成了非均匀的柱状和等轴晶粒结构，并析出了细化的初级Cr相和亚稳态Cu₈Zr₃相。这使得屈服强度和伸长率分别提高了约10.2%和27.5%。时效处理后，形成了大量的次级Cr/Cu₅₁Zr₁₄纳米沉淀物，使得屈服强度达到531 MPa，伸长率为26.6%，电导率为69.5% IACS。这种强度的提升还得益于非均匀变形诱导的强化效应，其贡献为226 MPa。原位激光重熔为调整LPBF制造铜合金的微观结构提供了一种简单、低成本且保持成分的方法，从而促进了其在航空航天和热管理领域的应用。

引言

铜及其合金由于其优异的电导率和热导率，在航空航天、核聚变装置以及电气和电子工业等领域发挥着不可或缺的作用[1]、[2]、[3]。高强度和高导电率的铜合金是火箭发动机燃烧室衬里等关键热端部件的理想材料[4]。这类部件通常具有复杂的内部冷却通道，并且需要在高温（600-700 K）下长期服役或经历热循环。使用传统的减材制造方法很难高效地制造这些部件。激光粉末床熔融（LPBF）作为一种先进的增材制造技术，为这类复杂结构的近净成形制造提供了新的途径[5]、[6]、[7]。LPBF的超快冷却速率（10⁶-10⁷ K/s）使铜合金部件在室温和高温下都具有出色的非平衡微观结构和优异的性能[8]、[9]。然而，LPBF特有的极端非平衡凝固过程提高了溶质在铜基体中的溶解度极限，从而增强了沉淀强化效果，但也降低了延展性，导致了强度-延展性的trade-off。

作为一类众所周知的高强度和高导电率铜合金，Cu-Cr-Zr合金通过在时效处理过程中析出纳米级的Cr和Cu_xZr_y相，在强度、电导率和热稳定性之间取得了良好的平衡。迄今为止，已有大量研究系统地探讨了LPBF制造的Cu-Cr-Zr合金的微观结构和性能。通过优化激光工艺参数和进行后时效处理，这些合金的强度可以显著提高，但其延展率往往与传统锻造合金相当甚至更低[10]、[11]、[12]。例如，Ma等人[10]报告称，在450 °C下直接时效处理2小时后，LPBF制造的Cu-0.84Cr-0.42Zr（wt.%）合金的屈服强度从220 ± 2 MPa显著提高至517 ± 3 MPa，但其伸长率为16.2 ± 1.1%，低于锻造合金。这表明LPBF过程中的超快凝固速率所带来的潜在优势尚未在Cu-Cr-Zr合金体系中得到充分利用。

目前，已经采用了几种技术来提高LPBF制造铜合金的强度-延展性协同效应，包括添加陶瓷颗粒增强[12]、原位合金化[13]和热等静压（HIP）[14]。然而，这些技术耗时、劳动密集且成本较高，对于实际工业应用来说存在挑战。例如，Hu等人[12]通过原位化学方法制备了含有0.5wt.% Y₂O₃的Cu-0.87Cr-0.12Zr（wt.%）复合粉末。在LPBF过程中，形成了纳米级的Cu₂CrZr (Y, O)沉淀物，有效地细化了晶粒尺寸（从28.9 μm降至13.1 μm），使抗拉强度提高了66 MPa，延展率提高了20%，但电导率降低了约7%。尽管添加陶瓷颗粒可以协同优化LPBF处理铜-Cr-Zr合金的强度和延展性，但仍存在一些问题。首先，通过机械混合或化学方法制备铜基复合材料相对复杂。其次，由于陶瓷颗粒的润湿性较差，可能会导致界面结合强度弱化和界面应力集中，从而影响组件的致密化。此外，过量添加陶瓷颗粒可能会偏离标准合金成分，不仅干扰微观结构的调控，还会降低铜合金的电导率。

最近的研究表明，激光重熔可以通过稳定熔池有效减少孔隙率，提高致密化程度[15]，通过调整热梯度细化晶粒结构，并通过调控凝固动力学优化沉淀物分布[16]。相比之下，原位激光重熔提供了一种简单、低成本且可行的方法。这种方法为制造具有复杂几何形状的高性能Cu-Cr-Zr部件提供了实用的技术途径，适用于火箭发动机燃烧室衬里、热交换器、电气连接器等高要求应用。此外，该方法还有潜力用于通过4D打印制造金属和超材料的微观结构调整[17]、[18]、[19]。基于此，为了解决LPBF制造的Cu-Cr-Zr合金的强度-延展性trade-off问题，本研究提出了一种原位激光重熔和时效处理策略，重点研究了原位激光重熔对晶粒形态和相沉淀的影响。研究发现，原位激光重熔后形成了混合的柱状-等轴晶粒结构以及凝固过程中的亚稳态Cu₈Zr₃相。鉴于形成的非均匀结构，通过加载-卸载-重新加载（LUR）循环试验定量评估了非均匀变形诱导（HDI）强化的贡献。

实验材料与工艺

本研究中使用的原材料是气雾化制备的Cu-0.84Cr-0.42Zr（wt.%）合金粉末。表1列出了Cu-Cr-Zr合金粉末、原始构建（AB）样品和重熔后的原始构建（RAB）样品的化学成分。粉末的形态如图1(a)所示。大多数粉末颗粒表面光滑，球形度良好，少数细小的卫星颗粒附着在较大颗粒的表面。图1(b)展示了颗粒尺寸分布的统计结果。

原位激光重熔引起的微观结构演变

图2显示了从AB和RAB样品的BD平行平面获得的XRD图谱。如图2(a)所示，两种样品均显示出与α-Cu相对应的明显衍射峰。在AB样品中，仅能检测到微弱的Cr相衍射峰。然而，在原位激光重熔后，RAB样品中的Cr相衍射峰显著增强，并首次出现了Cu_xZr_y相的特征峰。

强度-延展性协同机制

根据经典强化理论[11]、[38]，LPBF制造的Cu-Cr-Zr合金的主要强化机制包括晶界强化、位错强化和沉淀强化。由于AB、RAB和DAR样品之间的晶粒尺寸和位错密度差异较小，晶界强化和位错强化的贡献可以忽略不计。至于沉淀强化，次要的

结论

本研究通过采用原位激光重熔沉积策略，实现了LPBF处理铜-Cr-Zr合金的强度和延展性的协同提升。系统研究了该策略对晶粒特性和沉淀行为的影响，并阐明了室温下强度-延展性协同效应的增强机制。主要结论如下：

(1)

原位激光重熔同时细化了晶粒

作者贡献声明

梁淑华：监督、资源管理、项目行政、资金获取。江一辉：资源管理、项目行政、资金获取。杨文豪：研究。曹飞：研究。马文军：研究、数据管理。马成宇：验证、研究。黄世奎：撰写——初稿、验证、方法论、研究。王彦芳：撰写——审稿与编辑、资源管理、项目行政、研究、正式分析

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

本工作得到了国家自然科学基金（项目编号：52431008、52322409、92566302、52404384）和陕西省重点研发项目（项目编号：2025ZG-ZDGG-01）的支持。