绿色激光粉末床熔融技术能够在不显著降低强度的情况下提升镍铝青铜的延展性

《Materials Science and Engineering: A》：Green Laser Powder Bed Fusion Enables Ductility Enhancement of Nickel Aluminum Bronze without Significant Strength Degradation

　　

穆俊峰|张恒|张振华|张倩倩|张金生|韩全全

中国山东大学机械工程学院先进装备与金属成形技术国家重点实验室，济南，250061

摘要

镍铝青铜（NAB）合金因其高强度和耐腐蚀性而在海洋工程中得到广泛应用，但由于铜基合金具有较高的红外反射率，激光粉末床熔融技术在该领域的应用仍面临挑战。本研究通过传统的红外激光粉末床熔融（L-PBF）和绿色激光粉末床熔融（GL-PBF）工艺制备了C95800 NAB合金，以探讨激光波长对材料致密度、微观结构和力学性能的影响。GL-PBF工艺制备的样品具有更精细的微观结构、更均匀的元素分布、更高的β′相比例以及较少的κ相析出。相比之下，L-PBF样品的硬度更高（428.0 HV vs. 311.5 HV），抗拉强度也略有提升，这主要是由于κ相析出更密集以及初始位错密度更高。GL-PBF样品的伸长率显著提高至4.0%，比L-PBF样品提高了150.0%，同时保持了769.0 MPa的抗拉强度。这种延展性的提升归因于位错运动的障碍减少、微观结构更加均匀以及持续的应变硬化效应。这些结果表明，激光波长是调节增材制造NAB合金强度-延展性平衡的有效手段。

引言

镍铝青铜（NAB）合金是通过添加铁、镍和锰等元素从铜铝合金演变而来的复杂多元体系[1]。由于其出色的机械强度、耐腐蚀性和防污性能，NAB合金被广泛应用于海洋工程、航空航天和海水淡化领域[2]。具体应用包括螺旋桨、大型泵叶轮、紧固件和阀门[3]。然而，传统的铸造技术容易产生元素偏析和气孔等冶金缺陷[4]，这些缺陷会严重损害材料的机械完整性和耐腐蚀性[5]。此外，传统铸造方法的设计灵活性有限，难以制造复杂的几何形状[6]。

增材制造（AM）[7]具有显著优势，如能够制造复杂结构、提高设计灵活性、减少材料浪费和提升制造效率[8]、[9]、[10]，因此在航空航天和海洋工业中得到广泛应用[11]。最新研究[12]、[13]表明，增材制造合金的优异力学性能与快速凝固和非平衡状态密切相关。由于快速冷却速率，增材制造的NAB合金具有细小的晶粒和均匀的元素分布，从而抑制了κ相的平衡析出[14]、[15]，使其力学性能和耐腐蚀性优于传统铸造合金[16]。L-PBF制备的NAB合金通常具有交替排列的马氏体微观结构[17]，其适用性已得到验证[18]。然而，铜合金的高红外反射率和导热性仍然是增材制造面临的关键问题[19]。纯铜对常规光纤激光的吸收率仅为约16%，而对绿色激光的吸收率约为85%[20]，NAB材料也表现出类似现象。

NAB合金中的每种合金元素都发挥着独特的作用[21]。铝、镍和锰能够改善力学性能；其中镍尤其能提高耐腐蚀性[22]，而铁则有助于细化晶粒[23]。尽管之前的L-PBF研究主要集中在低锰含量的NAB合金上[24]，但适量的锰添加可以增强强度和延展性，并抑制高温下的β相分解[25]。耐腐蚀性对铝含量非常敏感[26]，最佳含量约为9%[27]。因此，Cu-9Al-4Ni-4Fe-2Mn（C95800）成分[14]、[25]被广泛采用。铸造NAB合金由延展性良好的富铜α相和高温下形成的马氏体β'相组成。在L-PBF制备的NAB合金中，β'相占主导地位。析出硬化相包括：富铁的玫瑰状κ_Ⅰ、富镍的晶界玫瑰状κ_Ⅱ、层状共晶κ_Ⅲ以及细小的晶内富铁κ_Ⅳ[29]。

已有大量关于增材制造NAB合金的研究。Dharmendra等人[28]比较了WAAM（钨丝熔化）和铸造NAB合金的性能，Kim等人[30]证明WAAM制造的NAB在强度、硬度和阻尼方面优于传统铸造工艺。Lu等人[31]发现EB-PBF（电子束熔融）制备的NAB合金具有更好的强度和韧性，这得益于均匀的微观结构和持续的加工硬化效应。Deng等人[32]发现热处理振荡激光丝送丝NAB可以减少各向异性；虽然强度和硬度有所提高，但大量的κ相析出降低了耐腐蚀性。L-PBF由于极快的冷却速率，特别适合制造具有精细微观结构的复杂部件[33]。Murray等人[34]首次实现了NAB合金的L-PBF制备，并研究了热处理对其性能的影响，Barr等人[25]比较了不同成分下的微观结构演变。Han等人[35]通过参数优化实现了98.80%的相对密度。Morshed-Behbahani等人[36]发现L-PBF比L-DED（激光沉积熔化）具有更强的晶体结构。

然而，铜合金的高红外反射率仍然是L-PBF技术面临的难题。尽管Jadhav等人[37]使用高功率激光在纯铜中实现了超过98%的致密度，但指出了光学热损伤的风险。为了解决铜及其合金的高反射率问题，调整激光波长以增强能量吸收引起了广泛的研究兴趣，蓝色和绿色激光的应用越来越受到关注[38]、[39]。Ning等人[40]使用绿色激光粉末床熔融技术成功克服了这一障碍。由于NAB合金含有约80%的铜，其对绿光的吸收率远高于红光。此外，不同的激光波长会引发不同的微观结构变化[41]。因此，探索GL-PBF技术在NAB合金制造中的应用潜力具有重要的科学意义和工程价值。

本研究采用L-PBF和GL-PBF工艺制备了C95800 NAB合金，并通过系统优化激光功率和扫描速度确定了最佳工艺参数。本文旨在系统比较两种激光波长对打印性、微观结构和力学性能的不同影响，同时探讨不同加工条件下的强化机制和拉伸断裂机制。这些发现为通过红外和绿色激光粉末床熔融制备的镍铝青铜合金的微观结构调控和性能优化提供了理论基础和技术参考。

章节摘录

材料

用于L-PBF和GL-PBF样品制备的Cu-9Al-4Ni-4Fe-1.5Mn NAB粉末由YSAM（中国）采用等离子旋转电极法（PREP）生产。该粉末颗粒具有优异的球形度，流动性为14 s/50 g，表观密度为4.4156 g/cm³，tap密度为4.6382 g/cm³。NAB粉末的化学成分通过Agilent 5800电感耦合等离子体光学发射光谱仪进行了定量分析

相对密度

图3展示了在不同工艺参数下制备的样品的致密度变化。如图3(a)和3(b)所示，L-PBF NAB样品的相对密度范围为92.7%至99.3%；在150 W激光功率和1500 mm/s扫描速度下制备的样品密度最低，而在250 W激光功率和900 mm/s扫描速度下制备的样品接近完全致密状态。

激光波长对L-PBF NAB致密度和微观结构演变的影响

L-PBF工艺具有更宽的加工窗口，并且相比GL-PBF获得了略高的峰值相对密度。这一现象主要归因于两个因素：首先，尽管NAB粉末在绿色激光照射下的吸收率有所提高（47.8% vs. 61.3%），但这种差异远小于纯铜（约16% vs. 约85%）；因此，绿色激光的固有优势在一定程度上被削弱了

结论

本研究系统比较了通过激光粉末床熔融（L-PBF）和绿色激光粉末床熔融（GL-PBF）制备的C95800镍铝青铜（NAB）合金的打印性、微观结构演变和力学性能。主要研究结果如下：

• 1.
  使用250 W激光功率和900 mm/s的工艺参数，L-PBF NAB的相对密度达到99.3%，体积能量密度（VED）约为100 J/mm³。相比之下，GL-PBF NAB的相对密度...

CRediT作者贡献声明

穆俊峰：撰写——初稿、方法论、数据分析。张振华：撰写——审稿与编辑、方法论、概念构思。张恒：撰写——审稿与编辑、监督、资源获取、概念构思。张金生：撰写——审稿与编辑、监督、概念构思。张倩倩：监督、项目管理、实验研究。韩全全：监督、概念构思

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能影响本文研究的财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了中国山东省重点研发计划（2024JMRH0205）的支持。作者衷心感谢烟台万龙真空冶金有限公司为这项研究提供的实验材料。