用铅部分替代锡对激光粉末床熔融制备铝锡合金压缩变形性的影响

《Journal of Alloys and Compounds》：Increase in the Compressive Deformability of Al–Sn Alloy Produced by Laser Powder Bed Fusion Through Partial Substitution of Tin with Lead

　　

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  研究了LPBF制备的Al-Sn合金中用Pb替代Sn的影响
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  提高激光功率可降低气孔率并改善合金的均匀性
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  随着激光功率的增加，合金强度最高提升至100 MPa
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  LPBF可实现细晶三相合金的制备，并提高其强度

引言

当摩擦表面发生润滑不良时，铝合金容易与硬基体配对产生划痕和咬合。为降低这些现象的严重程度，通常将其与不溶于铝的软金属进行合金化，如Sn、Pb、MoS?、石墨和Bi [1]-[9]。这些金属的夹杂物可从合金基体中被挤出至表面并蔓延开来，从而防止配合面之间发生直接的粘着接触。在实际应用中，铝最常与锡合金化（GOST 14113-78），并将其浓度限制在10 vol.%以内。当锡含量高于此值时，锡中间层会使基体分解为结合松散、最近邻数目少于2个的Al晶粒。结果是，其承载能力急剧下降，合金的疲劳磨损程度增加。因此，在铝合金中添加锡可降低其粘着磨损，但同时也增加了其疲劳磨损。大量研究表明，含锡量约为20 vol.%（40 wt.%）的合金在干摩擦状态下与钢配对时具有最佳的耐磨性 [10]-[12]。

Al和Sn的密度差异显著；因此，熔体必须经过充分搅拌，才能制备出组织均匀的合金。当熔体冷却至660 °C以下时，铝晶体会从中析出，这会急剧增加材料的粘度，使其无法搅拌，尽管液相直到230 °C才完全消失 [13]。析出的Al颗粒被液态锡包围，从而防止它们发生碰撞。被重液相中间层隔开的颗粒开始上浮，而液相则沉降到冷却铸件的底部。当熔体进一步冷却至620 °C以下时，固相与液相之间的二面角开始迅速增大 [14]、[15]，Al颗粒会相互接触并凝聚成较大的晶粒。因此，伴随相分离的发生，Al基体的晶粒结构趋于粗化。由于液相存在于较宽的温区内，缓慢的冷却速率会导致相分离，进而形成非均匀组织。在传统的铸造冷却速率下，无法制备出体积内相分布均匀的合金材料 [16]。通过烧结工艺可获得相对均匀的组织，在此过程中，大部分铝颗粒保持固态并形成一个稳定的骨架 [17]、[18]。炉内烧结是一个耗时较长的工艺，旨在通过更紧密地堆积Al基体晶粒来消除孔隙。在此过程中，小颗粒溶于液相，其原子沉淀在大颗粒表面。包裹剩余的大Al晶粒所需的锡更少，释放出的体积则用于形成连续的网络，从而削弱基体骨架。

然而，熔体较高的冷却速率以及所形成的小Al晶粒较大的总表面积，并不会导致锡网络破碎成孤立的夹杂物。这是因为其直径的减小伴随着被排挤的锡原子扩散到凝固体积表面的时间缩短。因此，连续的锡网络得以保留，但其细胞壁变薄。例如，在采用激光粉末床熔融（LPBF）制备的含20 vol.% Sn的样品中，尽管熔覆层冷却极快且析出的Al晶粒为微米级尺寸，仍形成了这样的网络 [19]、[20]、[21]。当具有发达锡网络的样品受力加载时，在低变形程度下，塑性流动倾向于局部化在其软中间层中，从而迅速耗尽其塑性储备。这些样品的强度具有典型的铝强度特征（约100 MPa），但压缩变形能力较低。

众所周知，在锡中加入铅可以改善其流动性并降低其结晶温度。Sn-Pb合金对许多金属具有良好的润湿性，并在结晶时形成片状结构，这使其在传统减摩合金中具有相对较高的强度。由于这些特性，该体系的合金不仅被广泛用于焊接，也应用于轴承工业，因为其组织符合耐磨材料的Shastry原则 [22]、[23]。Pb和Sn合金化时不会形成新相，因此所得合金仍保持相对较软的状态，主要用作高强度轴承壳的薄型减摩涂层。

然而，Sn-Pb合金在焊接期间对固态铝具有良好的润湿性且不溶于铝这一事实表明，它们也可以替代锡作为铝的减摩添加剂 [24]、[25]。尽管严格的环境法规越来越限制铅的使用，但国际框架在尚无可行替代方案的关键摩擦学部件方面仍保留特定的立法豁免。为避免Al-Sn-Pb合金中发生严重的相分离，可采用摩擦搅拌沉积 [26]、[27] 或LPBF [28]、[29] 等增材制造方法，后者以熔覆层极高的结晶速率（10⁵-10⁶ K/s）为特征。此外，微观熔池内部的高热梯度会引起快速流体循环（马兰戈尼对流），在凝固前沿推进之前，使液态的Al、Sn和Pb充分均匀化。预计此类材料在横截面上的组织将是枝晶胞状Al基体，其晶界处被Sn-Pb中间层所包围。后者在基体中的固定程度将比在轴承壳表面更为牢固，因为它们被各向的硬铝晶粒所夹持。需要注意的是，在使用LPBF对上述粉末混合物进行激光辐照加工的过程中，主要问题之一可能是低熔点元素的蒸发。

本研究旨在探讨LPBF过程中激光束功率对合成的Al-15Sn-5Pb（vol.%）成分样品所形成的组织和力学性能的影响，并将其与Al-20Sn（vol.%）基本成分样品的相应特性进行比较。

章节片段

材料与实验方法

为通过LPBF合成样品，使用了商业高纯粉末的混合物：ASD-1级铝（TU 48-8-226-87）、PO 1级锡（GOST 9723-73）以及PS 1级铅（GOST 16138-78）。所有粉末均经过预筛分，粒度在25至50 μm之间。这种粒度确保了粉末混合物具有最佳的流动性，这对于增材制造过程中在粉末床中的均匀分布至关重要。粉末在高速中进行了充分混合

热力学特征与初始相分布

工业方法不生产Al-15Sn-5Pb合金粉末，因此采用商业单质粉末的混合物通过LPBF进行合成。如图1所示，混合物中不同粉末颗粒之间的距离可能很大。在直径为d = 75 μm的激光束照射点，各组分的平均比例可能无法得以保持。为使合成合金的成分均匀化，照射在粉末层表面的能量

结论

研究了用5 vol.%的铅替代通过LPBF制备的Al-20Sn合金中锡对其组织和受压时力学行为的影响。本文比较了Al-15Sn-5Pb和Al-20Sn合金的力学性能，详细分析了它们的相组成和微观组织，并讨论了它们在受压下的失效机制。主要结论如下：

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  以1.2 m/s的扫描速度使用70 W激光束处理Al-15Sn-5Pb混合物是

利益冲突声明

作者声明，他们没有任何已知的竞争经济利益或个人关系，这些利益或关系可能会影响本文报告的研究工作。

致谢

本研究根据俄罗斯科学院西伯利亚分院固体物理学研究所（ISPMS SB RAS）的政府研究任务完成，[项目编号 FWRW-2026-0009]。感谢俄罗斯科学院西伯利亚分院固体物理学研究所（ISPMS SB RAS）“纳米技术”共享使用中心提供的实验设备。

利益冲突

作者声明，他们没有任何已知的竞争经济利益或个人关系，这些利益或关系可能会影响本文报告的研究工作。

N.M. 鲁辛 | A.L. 斯科伦采夫 | K.O. 阿基莫夫 | A.I. 德米特里耶夫