Scripta Materialia：激光粉末床熔合Cu-Ni-Al合金的成分梯度方法

张熙熙 2年前 (2023-05-28) 1568浏览

张熙熙

一、 【导读】 

增材制造(AM)有限的适用合金数量严重阻碍了该技术的广泛应用。，因此需要高通量方法进行成分筛选。其中，直接能量沉积(DED)和激光粉末床熔融(LPBF)技术已经被用于使用混合粉末(而非单一类型的预合金粉末)构建成分梯度合金，这些技术可以快速检查多种成分的可打印性，微观结构和机械性能。

在LPBF中，成分梯度可以设计成平滑连续的，也可以设计成阶梯式的。其中阶梯式的设计方法仍有较多掣肘，例如i）为确保成分均匀，成分粉末需要提前充分混合，需要花费大量时间。ii）为避免成分的突然变化导致的台阶界面开裂。可能需要对LPBF设置进行修改，将给粉系统从固定的供料仓改造为具有多个不同粉仓的移动料斗，难度较大。iii）缺乏适当的混合会导致微观的化学偏析。由于对波长大于1µm(LPBF中最常用的波长)的激光器具有较高的反射率，热导率和易形成氧化物，使用LPBF制造铜及其合金极具挑战性。因此，有必要探索保证铜合金可靠打印的最低合金含量。

二、【成果掠影】

近日，南洋理工大学Siyuan Wei，新加坡材料研究与工程研究所科学、技术与研究局Pei Wang设计了一种简单有效的成分梯度合金制备方法，并成功制备出了Ni含量在0.6 ~ 9.8 wt.%范围内的均匀梯度二元Cu-Ni合金。这些合金在结构和功能上都有重要的应用，并且使用LPBF制造的Cu-Ni合金在可印刷性、微观结构和机械性能上仍有极大的探索空间。通过制备具有连续成分梯度的合金相比于随机成分合金，可以更准确地获得临界合金元素Ni的含量。在此基础上，研究者采用LPBF制备了具体组成为Cu-7.6Ni-3Al (wt.%)的合金，并对其进行了时效表征。

相关研究工作以“Laser powder bed fusion of a Cu-Ni-Al alloy using the compositional grading approach”为题发表在国际顶级期刊Scripta Materialia上。

 三、【核心创新点】

采用改进的激光粉末床熔合(LPBF)技术制备了一种成分梯度的Cu-Ni合金。通过对从中提取的样品进行显微组织和力学表征，确定了添加7.6 wt.%Ni的Cu-Ni合金是使用LPBF获得无裂纹和接近全致密的试样所需的最小值。随后，在Cu-7.6 wt.%合金中加入3wt .% Al，使LPBF Cu-Ni-Al合金在时效过程中析出Ni3Al，从而耗尽基体中的溶质Ni原子，同时提高了合金的强度和导电性。展示了通过制造成分梯度合金和随后的合金设计以获得最佳性能组合来高通量筛选适合LPBF的合金的潜力。

 

 四、【数据概览】

 

图1 (a)本研究中用于制备成分梯度的Cu-Ni合金的LPBF装置示意图。(a)采用(b)工艺制备的Cu-Ni合金。标记出构建方向(BD)、梯度方向(GD)和横向方向(TD)。  © 2023 Acta Materialia Inc.

 

图2 利用EDS线扫描进行表征的沿(a)梯度方向(GD)、(b) 构建方向(BD)和(c)横向方向(TD)绘制梯度样品位置的Ni含量图。(a)中的插图是Cu(红色)和Ni(蓝色)的代表性EDS映射，以及二次电子图像。(d)使用电子背散射衍射(EBSD)获得的0.6、4.6和7.6 wt.% Ni样品的逆极图(IPFs)。每张图片都标注了Ni的含量© 2023 Acta Materialia Inc.

 

图3 (a)硬度和电导率随Ni含量的变化。(b) 6种Cu-Ni合金的工程应力-工程应变图，每个图附近都标有Ni含量，单位为wt.%。插图是5.5和7.6 wt.% Cu-Ni样品断口的代表性二次电子图像。  © 2023 Acta Materialia Inc.

图4 (a) Cu-7.6Ni-3Al样品具有代表性的后向散射电子图像。(b)热处理时间不同的Cu-7.6Ni-3Al样品的硬度和电导率。(c) Cu-7.6Ni和Cu-7.6Ni- 3al样品(打印、时效4 h和时效24 h)的工程应力-应变图。© 2023 Acta Materialia Inc.

图5 (a) AP样品的扫描透射电子显微镜(STEM)亮场(BF)图像和(b)其对应的选定区域电子衍射图(SAED)模式。(c-d)老化4 h样品的STEM-BF、SAED和TEM-暗场(DF)图像。(f-h) 24h老化样品的STEM-BF、SAED和TEM-DF图像。请注意，(e)和(h)的DF图像分别使用(d)和(g)中黄色圆圈突出的点获得。在每个SAED模式中标记区域轴。

 

五、【成果启示】

在LPBF中使用改进的粉末供应系统制备了Ni含量在0.6 ~ 9.8 wt.%之间的成分梯度Cu-Ni合金。从梯度合金中提取的样品的显微组织和力学特性表明，在Cu中添加最小的7.6 wt.%的Ni是制造无裂纹和接近全致密合金的必要条件。Cu-7.6 wt.%合金具有良好的强度和延展性，但其体电阻较差。因此，加入3wt .%的Al，在LPBF后时效过程中形成Ni3Al析出物，显著提高了硬度、强度和导电性。除了析出硬化外，位错密度和氧化物颗粒的增加也有助于LPBF和时效合金的强度。

 

原文详情：https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S1359646223001653

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