·1102 工程科学学报，第43卷，第8期 表1C-5%Sn合金激光选区熔化成形参数与相对密度汇总 160W时，作用于合金粉末的激光能量增大，所获合 Table 1 Selective laser melting parameters and corresponding relative 金致密度显著提高.而当扫描速度增大时，粉末受 densities of as-prepared Cu-5%Sn alloys 激光有效作用时间相应减少，粉末难以充分熔化，致 Laser Scanning Line Experimental Energy Relative 密度随之下降.当扫描间距过小时，虽然激光体能 number power/ speed/ spacing/ density/ density/ W (mm's) mm (小mm) % 量密度可明显提高，但熔道间重熔区域将积累过多 120 300 0.03 666.66 91.47 激光能量，易造成金属液滴飞溅，成形缺陷增多，致 2 120 600 0.05 200.00 90.77 密度下降.上述技术参数的影响作用主要是由于铜 3 120 900 0.07 95.24 91.09 合金导热率高，激光吸收率较低所致.综合正交实验 4 140 600 0.07 166.66 95.77 结果，优化选择激光功率160W、扫描速度300mms、 5 140 900 0.03 259.26 93.36 扫描间距0.07mm作为Cu-5%Sn SLM成形参数. 6 140 300 0.05 466.66 96.34 优化参数条件下，SLM成形Cu-5%Sn合金块 7 160 300 0.07 380.96 99.19 体如图1(a)所示，相对密度达99.2%.图1(b)与(c) 8 160 600 0.03 444.44 96.28 分别为成形合金顶表面激光共聚焦与侧表面金相 9 160 900 0.05 177.78 94.70 观察图，其中I(b)白色直线显示SLM熔道连续、 R 5.61 2.62 1.65 成形各单道之间搭接良好，无明显球化现象.图1(c) 所示扇形熔池沿生长方向逐层密实堆积，熔池边 从表1中极差分析R值可知，在本实验条件下 界清晰，未见显著孔隙缺陷，表明本研究优选的成 激光功率对合金成形致密度影响作用最大，其后依 形参数可使铜锡合金粉末熔化充分，致密度高，成 次为扫描速度、扫描间距.当激光功率由120增至 形表面质量较好 图1SLM成形Cu-5%Sn合金及表面光学显微观察.(a)SLM成形块体：(b)顶表面形貌：(c)侧表面形貌 Fig1 Cu%Sn alloy prepared using the SLM technique and corresponding optical observation of the alloy surfaces:(a)SLM built block;(b)top surface image;(c)side surface image 2.2合金激光选区熔化成形相组成及显微组织特征 As-built Cu-5%Sn ·a-Cu Cu-5%Sn气雾化合金粉末与激光选区熔化成 (11) ◆8-Cu1Snu 形样品的X射线衍射图谱如图2所示.比较后发 (200) (220) (311222 现，原始合金粉末中主要存在a-Cu(Sn)固溶体与 δ-Cu4Sn1两相，SLM成形合金中ǒ-Cu41Sn1相衍 Powder Cu-5 Sn 射峰明显减弱，而a-Cu(S)固溶体衍射峰对应的 20角相比原始气雾化粉末中a-Cu(Sn)衍射20角 向左微偏移，表明与原始合金粉末相比，SLM成形 2030405060 708090100 合金的冷速更高（约10℃s),溶质截留效应相 2W) 应增强，更多Sn元素固溶于铜中，导致晶格参数 图2气雾化C-5%Sn合金粉末与SLM成形合金X射线衍射图谱 相应增大 Fig.2 X-Ray diffraction patterns for atomized prealloyed powder and as-built Cu-5%Sn 图3显示SLM成形合金表面形貌的扫描电子 显微分析结果.图3(a)中可见合金中主要呈现两 出在本文优选参数条件下成形合金晶粒细化效果 种形貌的组织，即柱状晶与网状组织.同时，可看 显著，由于组织细小，能量色谱仪无法精确探测各从表 1 中极差分析 R 值可知，在本实验条件下 激光功率对合金成形致密度影响作用最大，其后依 次为扫描速度、扫描间距. 当激光功率由 120 增至 160 W 时，作用于合金粉末的激光能量增大，所获合 金致密度显著提高. 而当扫描速度增大时，粉末受 激光有效作用时间相应减少，粉末难以充分熔化，致 密度随之下降. 当扫描间距过小时，虽然激光体能 量密度可明显提高，但熔道间重熔区域将积累过多 激光能量，易造成金属液滴飞溅，成形缺陷增多，致 密度下降. 上述技术参数的影响作用主要是由于铜 合金导热率高，激光吸收率较低所致. 综合正交实验 结果，优化选择激光功率 160 W、扫描速度 300 mm·s−1、 扫描间距 0.07 mm 作为 Cu‒5%Sn SLM 成形参数. 优化参数条件下，SLM 成形 Cu‒5%Sn 合金块 体如图 1（a）所示，相对密度达 99.2%. 图 1（b）与（c） 分别为成形合金顶表面激光共聚焦与侧表面金相 观察图，其中 1（b）白色直线显示 SLM 熔道连续、 成形各单道之间搭接良好，无明显球化现象. 图 1（c） 所示扇形熔池沿生长方向逐层密实堆积，熔池边 界清晰，未见显著孔隙缺陷，表明本研究优选的成 形参数可使铜锡合金粉末熔化充分，致密度高，成 形表面质量较好. (a) (b) (c) BD 2 mm 100 μm 20 μm Micromolten pool 图 1    SLM 成形 Cu‒5%Sn 合金及表面光学显微观察. （a）SLM 成形块体；（b）顶表面形貌；（c）侧表面形貌 Fig.1     Cu –5%Sn  alloy  prepared  using  the  SLM  technique  and  corresponding  optical  observation  of  the  alloy  surfaces:  (a)  SLM  built  block;  (b)  top surface image; (c) side surface image 2.2    合金激光选区熔化成形相组成及显微组织特征 Cu‒5%Sn 气雾化合金粉末与激光选区熔化成 形样品的 X 射线衍射图谱如图 2 所示. 比较后发 现，原始合金粉末中主要存在 α-Cu(Sn) 固溶体与 δ-Cu41Sn11 两相，SLM 成形合金中 δ-Cu41Sn11 相衍 射峰明显减弱，而 α-Cu(Sn) 固溶体衍射峰对应的 2θ 角相比原始气雾化粉末中 α-Cu(Sn) 衍射 2θ 角 向左微偏移，表明与原始合金粉末相比，SLM 成形 合金的冷速更高（约 106 ℃·s−1），溶质截留效应相 应增强，更多 Sn 元素固溶于铜中，导致晶格参数 相应增大. 图 3 显示 SLM 成形合金表面形貌的扫描电子 显微分析结果. 图 3（a）中可见合金中主要呈现两 种形貌的组织，即柱状晶与网状组织. 同时，可看 出在本文优选参数条件下成形合金晶粒细化效果 显著，由于组织细小，能量色谱仪无法精确探测各 表 1    Cu‒5% Sn 合金激光选区熔化成形参数与相对密度汇总 Table 1    Selective  laser  melting  parameters  and  corresponding  relative densities of as-prepared Cu–5% Sn alloys Experimental number Laser power/ W Scanning speed/ (mm·s−1) Line spacing/ mm Energy density/ (J·mm−3) Relative density/ % 1 120 300 0.03 666.66 91.47 2 120 600 0.05 200.00 90.77 3 120 900 0.07 95.24 91.09 4 140 600 0.07 166.66 95.77 5 140 900 0.03 259.26 93.36 6 140 300 0.05 466.66 96.34 7 160 300 0.07 380.96 99.19 8 160 600 0.03 444.44 96.28 9 160 900 0.05 177.78 94.70 R 5.61 2.62 1.65 • ♦ • • • • (222) (111) (200) (220) (311) As-built Cu−5%Sn • 20 30 40 50 60 70 80 90 100 • • • • • ♦ ♦ ♦ ♦ Intensity Powder Cu−5%Sn 2θ/(°) δ-Cu41Sn11 α-Cu 图 2    气雾化 Cu‒5%Sn 合金粉末与 SLM 成形合金 X 射线衍射图谱 Fig.2     X-Ray  diffraction  patterns  for  atomized  prealloyed  powder  and as-built Cu–5%Sn · 1102 · 工程科学学报，第 43 卷，第 8 期