《Materials Science and Engineering: A》：Decoupling Property Trade-offs in CuCrZr Alloys via Additive Manufacturing-enabled Heterostructure Design
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通过激光增材制造构建异质结构，结合热加工和直接时效处理，在CuCrZr合金中实现高强度（661 MPa）、高导电性（84.9% IACS）与优异韧性（20.1%延伸率）的协同优化。激光打印形成蜂窝骨架包裹未熔粉末，热加工致密化后直接时效形成纳米析出物，解耦传统强化工艺与性能之间的矛盾。
傅子川|廖仲坤|张敬池|郭白松|卢秉文|严星晨|张凯浩
智能制造推进，香港科技大学（广州），中国广州市南沙区511453
摘要
铜铬锆（CuCrZr）合金通常面临一个基本属性的困境：传统的沉淀强化方法不可避免地会降低电导率和延展性。本研究展示了一种微观结构复合策略，通过集成激光增材制造、热机械加工和热处理方法来创建一种有序的异质结构，从而消除这些矛盾。我们利用激光粉末床熔融技术制备了一个蜂窝状支架，该支架有意将未熔化的CuCrZr粉末封装在孔隙中，形成双相“绿色”复合材料。随后的热轧将打印的支架和封装的粉末固化成完全致密的部分，并具有强界面结合，然后通过直接时效硬化来差异性地沉淀纳米级的（Cr, Zr）颗粒。这种策略在空间上分离了功能区域：快速固化的激光打印支架转变为一种由均匀纳米沉淀物强化的硬质导电基体，而含有原有沉淀物的粉末区域则保持柔软和延展性。所得到的整体材料表现出优异的结合性能，包括极限抗拉强度（661 MPa）、断裂伸长率（20.1%）和电导率（84.9% IACS）——这些性能超越了传统的锻造和增材制造合金。所提出的异质结构设计和制造方法提供了一个通用范式，其中激光增材制造过程不仅用于成形，还用于工程合金和金属复合材料的微观结构设计，以满足强度、耐损伤性和功能特性的共存要求。
引言
铜铬锆（CuCrZr）合金是一种优质的沉淀硬化铜合金，以其高机械强度和优异的电导率及导热性而闻名。这些特性使其广泛应用于航空航天[1]、交通运输[2]、核聚变反应堆[3]和先进电子[4]等领域，这些领域需要同时具备高强度、耐磨性、韧性以及电导率[6]。金属增材制造（AM）技术，特别是激光粉末床熔融（LPBF）技术的出现，为复杂金属零件的制造带来了范式转变[7]。激光与金属的相互作用伴随着极端的热条件，熔池的熔化和固化速率约为10^3-10^6 K/s[8]。这使得CuCrZr能够在保持高几何形状的同时形成独特的非平衡微观结构：Cu基体中的Cr和Zr过饱和固溶体以及蜂窝状位错结构[1]。最近的研究对此现象进行了广泛探讨，例如张等人[9]报告称，LPBF打印的CuCrZr固溶体中可含有高达0.46 wt.%的Cr。通过调整热处理温度可以控制Cu中Cr的沉淀行为。当热处理温度超过阈值（约1000°C）时，Cr会完全溶解在Cu中。Salvan等人[3]定量证明，快速固化会完全抑制Cr的沉淀，导致LPBF打印固体中的Cr含量超过预设的溶解度极限0.78 wt.%。这种过饱和状态为后续时效处理创造了理想的条件，促进了样品的沉淀强化。因此，虽然打印出的CuCrZr合金通常具有较高的强度，但由于溶质原子的严重电子散射，其电导率较低（通常为24-43% IACS）[10]。
为了解决这些矛盾，人们研究了后处理热处理技术，特别是直接时效硬化（DAH），以利用打印态的过饱和特性。后处理DAH旨在通过促进Cr沉淀来协调强度、延展性和电导率。然而，这一过程受到一个基本困境的制约：细小沉淀物虽然增强强度但会通过有限的工作硬化降低延展性，而粗大沉淀物虽然提高电导率但会减弱强化效果并可能引起应力集中[11]。即使是最优化的DAH处理也无法同时实现最大化的性能——关等人[12]报告了452 MPa的强度和78% IACS的电导率（14%的伸长率），而李等人[1]实现了90.1% IACS的电导率和25%的伸长率（410 MPa的强度）——这凸显了均匀微观结构的局限性。异质结构设计作为一种变革性策略，旨在克服金属材料中的固有属性矛盾[13][14][15]。通过设计具有不同机械特性的空间独立区域，异质结构激活了协同变形机制，包括异质变形诱导（HDI）硬化、背应力强化和应变分配，从而同时提高强度和延展性[16][17]。对于像CuCrZr这样的沉淀硬化合金，这种结构方法为进一步解决强度-电导率-延展性三重困境提供了途径：硬质区域可以通过密集的纳米沉淀物优化强度，而软质区域则保持延展性并提供连续的低电阻电子传输路径。然而，在CuCrZr中实现这种设计的异质结构仍然具有挑战性。传统的热机械加工对相的空间分布控制有限，而LPBF引起的异质性（如蒋等人[18]报道的晶粒结构变化）主要是随机的，不足以实现有意的性能调控。因此，需要一种能够精确、有意构建硬-软结构的制造策略，以充分发挥异质结构设计在多功能合金中的潜力。
在本研究中，我们提出了一种新方法，利用LPBF工艺的内在特性在CuCrZr中创建工程化的异质结构。LPBF工艺在同一构建体积内自然产生多种微观结构状态：选择性激光熔化的区域由于超快固化形成了过饱和固溶体，而相邻的未熔化粉末则保持其原始微观结构，包括原有的沉淀物。这种内在的异质性为有意控制微观结构和性能的空间变化提供了机会。通过策略性地设计激光扫描图案来创建蜂窝状支架，同时保留指定区域内的未熔化粉末，我们直接在打印出的组件中编码了异质结构。如图1所示，本研究利用了LPBF中两种自然产生的微观结构之间的基本冶金差异：（i）快速固化的过饱和蜂窝状支架在DAH过程中转变为硬质、纳米沉淀物强化的相；（ii）含有原有沉淀物的封装粉末填充物在相同的热处理后仍然相对柔软。经过LPBF制备这种设计的异质预制件后，热轧实现了完全致密化和冶金结合，随后通过DAH差异性地强化各个组成部分。这种方法创造了具有硬质和软质区域交替结构的CuCrZr整体材料，并展示了前所未有的性能组合：极限抗拉强度（661 MPa）、断裂伸长率（20.1%）和电导率（84.9% IACS），为高性能铜合金的异质结构设计和制造提供了新的见解。
材料与实验方法
经过激光选择性熔化和固化处理后的封闭单元“绿色”预制件包含了打印的支架和有意困住的未熔化粉末。尽管激光将粉末床加热到极高的温度，但受影响的区域相对较小（激光束直径约40 μm），因此固化过程非常迅速，仅持续几微秒。相比之下，在DAH过程中，炉子的加热和冷却周期
异质结构的微观结构演变
通过全面的表征验证了异质结构CuCrZr材料的成功制备。图4A展示了打印部件的宏观视图，其中包含一个连续的蜂窝状支架，用于封装未熔化的CuCrZr粉末。图4B和4C中的CT重建显示了内部结构，区分了完全致密的固化支架壁和故意困在封闭单元内的离散未熔化粉末。
微观结构演变与异质结构形成
图11总结了LPBF-异质轧制-DAH样品在制备和拉伸测试过程中的微观结构演变。如图11A所示，本研究提出的制造方法利用了LPBF的内在微观结构异质性来创建空间上不同的区域。快速固化的支架（图1中的状态I）保持了过饱和固溶体，而封装的粉末填充物（状态II）含有原有的Cr沉淀物
结论
本研究开发了一种基于结构设计的异质结构的综合制造策略，有效解决了CuCrZr合金长期以来存在的强度-韧性-电导率三重困境。主要发现如下：
- 1.
通过结合LPBF打印、热机械加工和DAH，我们制备了具有硬质纳米沉淀物强化支架相和软质粉末衍生相交替结构的CuCrZr整体材料
CRediT作者贡献声明
廖仲坤：撰写 – 审稿与编辑、验证、研究、数据分析、数据管理。傅子川：撰写 – 原稿撰写、可视化、验证、方法论、研究、数据分析、概念化。张敬池：撰写 – 审稿与编辑、可视化、研究、数据分析。卢秉文：撰写 – 审稿与编辑、验证。郭白松：撰写 – 审稿与编辑、方法论。张凯浩：撰写 – 审稿与编辑、监督，
数据可用性
重现这些结果所需的原始数据可应要求提供。重现这些结果所需的处理数据也可应要求提供。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。
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
本研究得到了广东省基础与应用基础研究资助计划（省市联合资助）（编号2022A1515110735）、广州市基础与应用基础研究计划-试点项目（编号SL2024A04J01454）以及广东省科技计划项目（2023B1212120008、2023B1212060045）的财政支持。本研究还利用了香港科技大学（HKUST(GZ）的材料表征与制备设施（MCPF）和材料设计与制造设施（MDMF）。
