关于激光粉末床熔融技术改善SS316L与CuSn10合金的成形性、微观结构及性能的研究

《Journal of Alloys and Compounds》：Investigation on formability, microstructures and properties of SS316L modified CuSn10 alloy by laser powder-bed fusion

　　

摘要

由于吸光率较低，基于铜的合金在采用典型的1064纳米红外激光进行增材制造时，其成型性较差，且微观结构与性能也会下降。本研究提出了一种新策略，旨在优化通过激光粉末床熔融技术制备的CuSn10合金的加工过程、微观结构及性能。通过添加5重量%的SS316L粉末，CuSn10-5重量%SS316L合金的最大相对密度可达99.27%，比纯CuSn10合金的95.64%高出3.8%。此外，CuSn10合金的高相对密度加工窗口也扩大了150%，气孔率以及未熔合缺陷显著减少。熔池从浅层且持续时间短的导热模式转变为深度和持续时间更长的过渡模式。强化的马朗戈尼对流和反冲压力产生了强烈的循环流场，能够迅速将气孔从熔池中排出，从而抑制未熔合和气孔等缺陷。微观结构分析表明，SS316L粉末保持了其γ奥氏体结构，作为微米级第二相分散在CuSn10基体中，这一现象是铜与铁的互溶性较差、激光粉末床熔融技术的快速凝固特性以及熔池强烈对流共同作用的结果。由于第二相的弥散强化效应及其本身的耐腐蚀性，掺杂SS316L的CuSn10合金的微观硬度、耐磨性、耐腐蚀性以及拉伸性能等都得到了全面提升。本研究不仅为提高高反射率基于铜的合金在激光粉末床熔融技术下的成型性提供了一种低成本且便捷的方法，还为通过激光增材制造来定制合金的微观结构与性能提供了有益思路。

引言

CuSn10合金因其出色的耐磨性、耐腐蚀性以及机械性能而被广泛应用于各种领域，如机械零件[1]、海洋工程部件[2]以及化学管道/容器[3]。激光粉末床熔融技术具有设计自由度高[4]、材料利用率高[5]以及成品性能优异[6]等优点，为制造功能一体化的基于铜的合金部件提供了有效途径[7]、[8]。然而，目前激光粉末床熔融设备所使用的典型1064纳米红外激光，对CuSn10粉末的反射率高达70%–80%[9]，导致熔化过程中激光能量吸收不足。这会造成粉末熔化不充分、相对密度低等问题，进而直接影响合金的性能，严重限制了该技术在基于铜的合金中的应用[10]、[11]。

为了解决基于激光粉末床熔融技术制备基于铜的合金时存在的这些问题，研究人员从优化激光粉末床熔融工艺参数以及改变激光类型两个方面进行了探索。在工艺参数优化方面，通过控制激光能量输入，可以在一定程度上改善基于铜的合金的成型性[12]，但由于这些合金对红外激光的反射率较高，其可行的加工窗口极为狭窄[13]。Zhou等人[12]对CuSn10合金的激光粉末床熔融加工参数进行了优化，发现激光能量输入低于146.7焦耳/立方毫米或高于181.3焦耳/立方毫米时都会导致多种缺陷的产生。在改变激光类型方面，鉴于铜对绿光或蓝光的吸光率较高，理论上使用绿光或蓝光激光可以解决这一问题。但实际上这类激光设备价格昂贵，且激光能量输入不足，导致最终成品的质量较差[14]，因此无法在实际的增材制造中应用。

另一方面，预合金化也是改善基于铜的合金相关问题的有效方法。Chen等人[15]使用预合金化粉末，通过激光粉末床熔融技术制备出了相对密度高达约99.4%且机械性能优异的高铜镍锡合金。镍与锡共同形成分散的γ相（DO?结构），有效抑制了锡的偏聚现象。Li等人[16]则利用预合金化粉末通过激光粉末床熔融技术制备出了相对密度为99.26%的铜铬铌钛合金，其中钛元素的加入促进了细小且分散的第二相的形成，使得该合金的机械性能明显优于不含钛的铜铬铌钛合金。不过，预合金化工艺较为复杂，而且在预合金化粉末的制备以及激光粉末床熔融过程中会存在多次非平衡凝固现象，导致最终制备的合金部件微观结构难以控制。

近年来，根据激光粉末床熔融技术的加工特点，通过机械混合不同成分的粉末（多为市售粉末）来形成混合熔池，已成为一种新的合金设计与制造方法。该方法已被成功用于设计具有异质成分的高性能合金。Zhang等人[17]将Ti-6Al-4V粉末与4.5重量%的SS316L粉末混合，使得激光粉末床熔融过程中的熔池出现局部均匀化现象，并形成了微米级的铁元素浓度梯度。Zhu等人[18]则将AlSi10Mg粉末加入FeCoCrNi粉末中，通过激光粉末床熔融技术实现了原位合金化。铝元素在熔池中形成了局部富铝区域，从而产生了协同强化效应。Turani等人[19]在高反射率的铝镁钪合金中加入了1.8重量%的铁元素，最终得到了无裂纹且相对密度超过99.8%、机械性能优异的合金样品。

受上述研究的启发，为了解决基于激光粉末床熔融技术制备基于铜的合金所面临的瓶颈问题，选择合适的添加粉末来实现成分调控，有望同步提升合金的成型性与性能。因此，有必要综合考虑激光吸光率、金属间相的兼容性以及激光粉末床熔融工艺的适应性[20]。所添加的粉末不仅要对红外激光具有较高的吸光率，还能够在激光粉末床熔融过程中与基于铜的合金形成稳定的微观结构，避免出现宏观偏聚以及脆性相[21]。Liu等人[22]通过激光粉末床熔融技术制备了含8重量%铁的铜合金，发现铁元素的加入不仅提升了合金对红外激光的吸光率，还形成了两种不同的富铁沉淀物，从而使复合材料的强度与延伸率达到了良好的平衡。Wen等人[23]则制备了Cu10Sn/SS316L渐变合金，揭示了这种互不相溶体系在液态时的旋节分解行为，从而实现了强度与延展性的平衡。Zafari等人[24]则利用铁粉和铜粉进行了原位激光粉末床熔融成型实验，发现铜含量较低的铁铜合金具有极高的抗压强度。这些研究结果为选择适合用于基于铜的合金成分调控的添加粉末提供了初步的参考。不过，关于成分调控后合金中的缺陷控制问题以及沉淀物对合金性能的影响机制，目前仍需进一步研究。

本研究通过向CuSn10合金中添加5重量%的SS316L粉末，利用激光粉末床熔融技术对其进行了改性。通过对混合粉末床的相变热力学行为以及熔池动态进行了分析，实现了对高反射率CuSn10合金的加工过程、微观结构及性能的直接优化。这项工作不仅补充了现有提升基于铜的合金在激光粉末床熔融技术下加工质量的方法，也为通过增材制造技术定制合金的微观结构与性能提供了新的思路。

内容片段

原材料

本研究以CuSn10粉末作为基体材料，选用SS316L粉末作为改性材料。SS316L粉末对红外激光的吸光率约为65%，而且其主要成分元素不会与铜或锡形成脆性的金属间化合物。

实验中使用的CuSn10粉末和SS316L粉末是通过气体雾化法制备的，其粒径范围为15-53微米。这两种粉末的形态如图1所示，都具有较好的球形度，表面也比较光滑。

激光反射率

不同粉末在不同激光波长下的反射率情况如图3所示。在1064纳米波长下，CuSn10粉末、SS316L粉末以及CuSn10-5重量%SS316L合金粉末的反射率分别为60%、43%和50%。添加SS316L粉末后，CuSn10粉末在1064纳米红外激光下的反射率得到了有效降低。

反射率降低的原因在于：（i）SS316L本身的反射率低于CuSn10；（ii）两种粉末混合后产生了新的光学效应。

结论

• (1)
  添加5重量%的SS316L粉末后，CuSn10粉末在1064纳米红外激光下的反射率从60%降到了50%。与纯CuSn10合金相比，其高相对密度（大于93%）的加工窗口扩大了150%，同时熔池球化、气孔以及未熔合等激光粉末床熔融工艺缺陷也显著减少。
• (2)
  SS316L粉末的引入使得混合熔池从浅层且持续时间短的“导热模式”转变为渗透深度更深的“过渡模式”，进而增强了熔池内的对流效果。

作者贡献说明

张伟：实验验证与研究工作。郑恩来：课题指导与方法设计。彭英波：论文撰写与编辑、资金申请以及研究构思。王勇：论文初稿撰写与实验研究。边玉阳：软件应用与实验资源协调。吴玉兵：数据整理与正式分析。

利益冲突声明

所有作者声明，他们不存在任何可能影响本文研究结果的已知利益冲突或个人关系。

致谢

本研究得到了湖南省自然科学基金（2023JJ50026）、河南省重点研发计划（231111231200）、国家重大研发计划（2021YFB3701800）以及南京农业大学学生科研训练项目的资助，作者们对此表示衷心的感谢。

王勇|吴玉兵|边玉阳|郑恩来|张伟|彭英波

中国江苏省南京市210031，南京农业大学工程学院