《Journal of Alloys and Compounds》：Tailoring microstructure and improving properties of electron beam powder bed fused CuCr50 alloys via interlayer remelting
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采用电子束粉末床熔融（EB-PBF）结合层间重熔策略，通过优化能量密度（80 J/mm3）实现CuCr50合金的高密度（>99.5%）制备，获得均匀细小的Cr-rich颗粒（<2 μm）弥散分布于连续Cu基体中，显著提升导电性（23.4 MS/m）、热导率（170.8 W/m·K）及抗电弧侵蚀性能（ erosion rate降低57.1%）。
魏英康|李家旭|李云哲|王建勇|储鑫|闫庆波|刘英英|贾文鹏|唐慧萍|刘世峰
西安建筑科技大学冶金工程学院，中国陕西省西安市710055
摘要
由于CuCr50合金具有优异的耐电弧侵蚀性能以及较高的电导率和热导率，因此它们成为中压、大电流电路断路器中关键的接触材料。本研究通过使用混合粉末的电子束粉末床熔融（EB-PBF）工艺，并采用层间重熔策略，制备出了高性能的CuCr50合金。通过施加80 J/mm3的优化重熔能量密度，实现了Cr粉末颗粒的完全熔化，从而获得了由细分散的球形富Cr颗粒（<2 μm）组成的高密度（>99.5%）且均匀的微观结构，这些颗粒嵌入连续的Cu基体中。与未进行重熔的情况相比，重熔样品的硬度略有下降（从234.3 HB降至223.4 HB），但电导率（从19.4 MS m?1提升至23.4 MS m?1）、热导率（在20 °C时从159.3 W/mK提升至170.8 W/mK）以及耐电弧侵蚀性能均得到了显著提高。耐电弧侵蚀性能的增强体现在更均匀的侵蚀形态、击穿强度提高了18.4%，以及侵蚀速率降低了57.1%。此外，精细的微观结构和更高纯度的Cu基体使得EB-PBF合金在硬度、电导率和耐电弧侵蚀性能方面优于真空电弧重熔的同类产品。然而，细观结构中增加的界面密度引入了额外的热阻，导致热导率略有下降。
引言
含Cr量较高的CuCr合金（20-50 wt%）结合了两种组成元素的优势特性，表现出优异的电导率、较高的击穿强度和卓越的耐电弧侵蚀性能[1]。这些特性使它们成为中压、大电流电路断路器的首选接触材料[2]。对于给定的Cr含量，CuCr合金的性能主要取决于Cr相的大小和分布。Duan等人[3]报告称，细小且均匀的Cr相不仅提高了硬度，从而减少了电弧放电过程中的接触变形，还促进了电荷的均匀分布，从而减轻了严重的局部侵蚀。当Cr含量超过20 wt%时，CuCr合金会形成宽的固液共存区域，导致冷却过程中的凝固温度区间变宽[4]。因此，传统的熔炼方法往往会导致明显的宏观偏析和微观结构不均匀性。真空电弧重熔（VAR）是目前生产高性能CuCr合金的主要工业方法之一，特别是像CuCr50这样的等级，广泛应用于高压系统（例如126 kV系统）[5]。在VAR过程中，预压的CuCr电极在保护气氛下逐层熔化，随后在水冷模具中快速凝固。Zhang等人[6]指出，VAR的高冷却速率使得微观结构比粉末冶金或真空渗透方法制备的样品更加精细和均匀。然而，VAR在精确控制微观结构特征（特别是Cr相的大小、形态和空间分布）方面受到限制，这限制了其满足下一代超高压系统所需性能的能力。
增材制造（AM）技术通过逐层沉积金属粉末等材料直接从数字模型生成三维部件。得益于快速凝固，AM可以有效抑制成分偏析，并促进形成精细、均匀的微观结构，从而显著提升材料的整体性能[7]。Chen等人[8]证明，激光粉末床熔融（L-PBF）制备的CuCr25在老化1小时后，硬度达到210 HV?.1，电导率为35 MS m?1。然而，Cu在常见激光波长下的高反射率（>98%）对L-PBF带来了显著挑战，导致能量耦合效果差，工艺效率降低，从而增加了生产成本，目前限制了其工业可行性[9]。
电子束粉末床熔融（EB-PBF）的原理与L-PBF类似，但它使用电子束作为热源。由于其高功率密度、最小的反射损失和清洁的加工环境，EB-PBF已成为制造金属部件的杰出方法，特别是那些具有高激光反射率、高熔点或高化学反应性的部件[10]。在2018年的一项开创性研究中，Momeni等人[11]首次证明了使用混合粉末通过EB-PBF加工CuCr25的可行性。他们报告称，由于液相分离机制的作用，Cr相得到了显著细化（< 1 μm）。最近，Varoto等人[12]通过精确控制EB-PBF中的体积能量密度（VED），制备出了致密度（>99.9%）且微观结构高度均匀的CuCr25，并建立了微观结构与性能之间的关系。他们制备的CuCr25在机械性能和电导率方面优于VAR制备的样品，同时保持了相似的热导率。在我们之前的研究[13]中，使用混合粉末和120 J/mm3的VED通过EB-PBF制备了高压级CuCr50，分别实现了19.1 MS m?1的电导率和161.7 W/mK的热导率。尽管其硬度（210 HB）和电导率符合国家高压传输标准（≥80 HB, ≥16 MS m?1[14]），但相对较高的孔隙率（3%）限制了性能的进一步提升，也影响了其对更严格使用要求的满足。高孔隙率的主要原因是高熔点（1857 °C）Cr颗粒在粉末铺展过程中的聚集和未完全熔化，这阻碍了熔池的有效铺展。虽然增加VED可以促进Cr粉末颗粒的熔化，但熔池吸收过多的瞬态能量可能导致温度迅速升高并引发明显的搅拌效应。Ordás等人[15]发现，EB-PBF中较高的VED会促进Cu合金中气孔的形成，最终降低其整体密度。
层间重熔涉及在新沉积的每一层表面扫描额外的低能量束，以局部重新熔化材料。这种方法在增材制造中广泛应用，用于减少工艺引起的缺陷、修改微观结构并改善最终材料的性能[16]。Gustmann等人[17]研究了层间重熔对L-PBF制备的Cu-Al-Ni-Mn合金孔隙率的影响。他们发现，当应用35.4 J/mm3的重熔VED时，相对密度从98.9%（VED为38.1 J/mm3）提高到了99.5%。同样，Li等人[18]报告称，在电子束自由成形制造NiTi合金过程中施加适当的E_R可以改善微观结构的均匀性并减少残余应力，从而提高拉伸性能。在本研究中，通过在EB-PBF中实施层间重熔策略，促进了Cr粉末颗粒的完全熔化，从而提高了CuCr50的密度。系统研究了层间重熔对微观结构、硬度、电导率（电导率和热导率）以及耐电弧侵蚀性能的影响，并探讨了其背后的机制。此外，还讨论了EB-PBF制备的CuCr50与其VAR制备样品相比的优越性能与关键微观结构特征之间的关系。
原材料
本研究中使用的原材料包括气雾化球形纯Cu粉末（图1a）和机械破碎的不规则纯Cr粉末（图1b）。使用Mastersizer 3000E激光粒度分析仪确定了粉末的体积粒径分布。如图1c和1d所示，纯Cu和纯Cr粉末的50%累积百分位数（D50）直径分别为68.4 μm和61.5 μm。所有粉末均由陕西瑞瑞新材料有限公司提供。
密度
图3展示了在未进行重熔和层间重熔条件下制备的CuCr50样品的OM图像。在未进行重熔的样品（图3a）中，可以看到最大尺寸超过200 μm的不规则孔洞（如图中箭头所示）。这些大的不规则孔洞是由于Cr颗粒在粉末床中的积聚以及EB-PBF过程中的未完全熔化造成的[13]。相比之下，层间重熔样品的孔洞明显减少。
EB-PBF过程中的微观结构演变
Cu-Cr体系是一个亚稳态二元体系，存在液相互溶间隙。在 spinodal 曲线以下（CuCr50合金约为1750 °C[32]），即使是很小的浓度波动也会降低体系的自由能，导致最初互溶的相分解为富Cu相和富Cr相[33]。为了最小化界面能，首先固化的富Cr液滴倾向于形成小的球形
结论
- (1)
通过采用70-80 J/mm3的E_R值进行层间重熔策略，成功制备出了高密度（>99.5%）的CuCr50合金，确保了Cr粉末颗粒的完全熔化。将E_R值提高到80 J/mm3进一步增强了两相熔体中的溶质均匀性，形成了由细分散的球形富Cr颗粒（< 2 μm）嵌入连续Cu基体中的均匀微观结构。
- (2)
与未进行重熔的样品相比，E_R = 80 J/mm3的样品表现出更好的性能
CRediT作者贡献声明
李云哲：监督、软件、数据分析。储鑫：撰写 – 审稿与编辑。王建勇：软件、方法论。刘英英：验证。闫庆波：资源获取、资金申请。唐慧萍：监督。贾文鹏：项目管理。刘世峰：监督、项目管理。李家旭：方法论、研究。魏英康：撰写 – 初稿、研究、资金申请。
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
本研究得到了中国科学技术协会（YESS20240807）、陕西省科学技术厅（2024QCY-KXJ-109, 2025JC-YBMS-628）和陕西省教育厅（24JR097）的支持。
