《Materials Science and Engineering: A》：Densification mechanism and properties of efficient LPBF CuCrZr alloy with coarse powder via an ultra-low energy density two-step strategy
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摘要通过激光粉末床熔融（LPBF）技术对传统的CuCrZr合金粉末（15–53微米）进行致密化处理需要较高的激光能量密度（>300 J/mm3）。因此，使用更粗的粉末（53–120微米）来实现致密化更加具有挑战性，因为这些粉末更具成本效益且成型效率更高。在这项研究中，我们提出了一
摘要
通过激光粉末床熔融（LPBF）技术对传统的CuCrZr合金粉末（15–53微米）进行致密化处理需要较高的激光能量密度（>300 J/mm3）。因此，使用更粗的粉末（53–120微米）来实现致密化更加具有挑战性，因为这些粉末更具成本效益且成型效率更高。在这项研究中，我们提出了一种表面状态控制策略：我们没有采用单次扫描实现完全熔化，而是设计了两步扫描策略。首先构建一个多孔吸收层（PAL），这是一个由不规则微米级液滴组成的非平衡态、冶金结合的表面，其激光吸收率为33.6%。该层同时具有激光吸收和热传递功能，促进了熔池的扩展，使得在第二步扫描过程中仅需111 J/mm3的极低能量密度即可实现99.68%的致密化，这一过程通过稳定的传导模式熔化完成。关键的是，该方法减少了热影响区，形成了<111>方向的等轴晶粒，并获得了近乎各向同性的机械性能（抗拉强度UTS = 577 MPa（弯曲方向）/ 591 MPa（拉伸方向），差异<5%），以及优异的表面质量（Ra ≈ 20微米）。虽然达到了细粉样品的性能水平，但成型时间减少了近50%。通过将粉末激活与最终致密化过程分离，这一策略将LPBF从一种被动的能量输入过程提升为一种主动的层控制方法，为高反射率、高导电性的合金提供了一种通用的制造途径。
引言
CuCrZr合金是一种具有高强度和高导电性的耐热铜合金，其抗拉强度通常是纯铜的1.5–3.5倍（300–700 MPa），导电性则是纯铜的50–90%，广泛应用于航空航天和热核反应堆等极端工作环境中[1,2]。随着应用需求的演变，传统的制造工艺已无法满足具有复杂内部流道和多孔结构的部件制造需求[3]。激光粉末床熔融（LPBF）是一种增材制造（AM）技术，它利用激光束逐层熔化金属粉末颗粒来构建固体部件[4]。与传统制造方法相比，LPBF能够根据具体应用需求进行设计优化，从而生产出复杂的结构并制造出多种类型的部件[5]。然而，由于CuCrZr合金具有高导热性和高反射率，通过常规LPBF工艺实现99.5%以上的致密化需要极高的能量密度[6, [7], [8], [9], [10]]。此外，研究人员尝试了使用吸收率更高的绿色激光[11]、改进扫描策略[12,13]或增加激光功率[14]等方法，但工艺窗口的能量密度仍然在300至600 J/mm3之间。
随着LPBF技术的发展，原材料成本高和成型效率低的问题日益凸显，这促使研究人员致力于开发旨在降低成本和提高效率的增材制造技术[15]。目前，LPBF通常使用粒径在15至53微米之间的球形粉末，这些粉末的成本大约是粗粉的2至3倍[16,17]。相比之下，使用粗粉是降低成本的有效方法之一，因为粗粉可以形成更厚的层，从而显著提高LPBF的成型效率[15]。目前，关于使用粗粉作为原料的LPBF致密化研究主要集中在易于可靠打印的材料上，如铝合金和不锈钢[18], [19], [20]]。尽管粗粉样品与细粉样品在性能上没有显著差异，但LPBF致密化所需的激光能量密度通常是细粉的1到几倍，且可能导致飞溅和气孔等缺陷，从而降低最终产品的密度。
因此，如果可以在LPBF过程中使用粗CuCrZr合金粉末，造成本将进一步降低。此外，使用粗粉还可以增加层厚，从而提高成型效率。然而，单纯提高能量密度并不适用于CuCrZr合金，因为铜合金的高导热性意味着即使熔化温度升高，固化时间也不会显著增加。即使温度接近沸点，扩散时间仍然很长，固化过程仍占主导地位，导致液滴的球形化[21]。同时，过高的激光功率可能会对激光器造成损坏[22]。
迄今为止，关于CuCrZr合金粗粉的LPBF研究仍然有限。主要问题在于大多数现有方法依赖于单一能量输入来实现完全熔化。在之前的工作中，我们将粉末床重新定义为可设计的功能层，并开发了一种新的两步扫描策略，使用极低能量密度（56 + 111 J/mm3）成功制备了D50 = 75微米的CuCrZr合金粉末，实现了99.7%的致密度[23]。这种扫描策略还产生了与传统LPBF铜合金不同的微观结构，显著提高了成型效率，其性能超过了大多数使用细粉制备的样品。因此，这种扫描策略对成型行为的影响非常值得研究。
因此，在本研究中，我们对这种扫描策略相关的成型原理和致密化过程进行了详细分析。我们讨论了合金的表面质量和各向异性特性，阐明了其成型行为、熔池模式和微观结构的变化，从而建立了一个致密化模型。这种新的扫描策略为难以焊接的高反射率金属的LPBF加工提供了一种有效方法，该方法也可应用于其他合金的制造，最终为高性能组件的低成本、高效率增材制造提供见解。
章节摘录
材料与实验
CuCrZr合金粉末是在LPBF过程中通过气体雾化法制得的。表1列出了CuCrZr粉末的标准化学成分。图1a展示了CuCrZr粉末的典型形态。粉末的粒径分布范围为53至120微米，D10为53微米，D50为75.3微米，D90为120微米（图1b）。粉末的霍尔流动时间为15.5秒/50克。
在本研究中，使用BLT-S200设备（BLT，中国）制备了LPBF样品。
传统扫描策略中的缺陷
为了明确高反射率CuCrZr粗粉在传统LPBF中的固有成型挑战，我们首先系统地研究了其标准加工窗口：在固定层厚度（D = 50微米）和扫描间距（H = 180微米）的情况下，调节激光功率（P = 200–400 W）和扫描速度（v = 300–900 mm/s），以量化体积能量密度对熔池稳定性和缺陷演变的影响。
图3展示了CuCrZr粗粉在
两步策略的成型行为
本研究在极低能量密度下实现了致密化（第一步：56 J/mm3；第二步：111 J/mm3），仅为传统工艺（300–600 J/mm3）的1/3。这完全归功于创新的能量控制两步扫描策略。我们现在将讨论这种策略的成型行为。
结论
本研究通过提出一种新的两步扫描策略，改变了传统的高能量密度、低效率LPBF模式，实现了53–120微米CuCrZr粗粉的高密度成型，并重点研究了这种策略的成型行为和微观结构特性。主要结论如下：
(1)通过构建多孔吸收层（PAL），合金在极低能量密度下成功实现了99.68%的高相对密度
作者贡献声明
杨欣宇：撰写——初稿，实验研究，数据分析，概念化。王林山：撰写——初稿，方法设计，资金申请。梁雪冰：撰写——审阅与编辑，数据分析。王永辉：撰写——审阅与编辑，数据分析。郭文倩：撰写——审阅与编辑，数据分析。张宇泽：数据可视化。胡强：指导，方法设计，资金申请。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的财务利益或个人关系。
致谢
本研究得到了北京市科学技术计划（Z221100005822001）的财政支持。
杨欣宇|王林山|梁雪冰|王永辉|郭文倩|张宇泽|胡强
金属粉末材料工业技术研究院，中国GRINM集团有限公司，北京，101407，中国
