李小璇等：铜锡合金激光选区熔化非平衡凝固组织与性能 ·1101 The Sn-rich nanoparticles with super-lattice structures precipitates along the grain boundaries and inside the grains.With the combined effects of grain fining,super-lattice-structured nanoparticles precipitation,solid solution,and thermal residual stress,the SLM-built Cu-5%Sn alloy shows significantly enhanced mechanical properties,such as HV 133.83 Vickers hardness,326 MPa yield strength, 387 MPa tensile strength,and 22.7%fracture extension.Such scientific information is very useful for improving the alloy composition design and optimizing the SLM processing parameters. KEY WORDS copper alloy:nonferrous metals:solidification microstructure;precipitation;selective laser melting;mechanical property 铜合金一直具有广泛的工程应用，近年来又作 采用EOSM1003D打印设备(EOS,德国)，通入纯 为一类重要的新兴增材制造原材料而备受国内外 度≥99.999%的高纯氩气，扫描层厚设为20μm.为 关注l-刀.选用激光选区熔化(Selective laser melting,. 减少样品成形组织形成择优取向，成形过程中 $LM)增材技术制备的铜合金产品，收缩系数小，机 每一新层与已凝固成形层的扫描路径间夹角设 械性能、导电性、导热性、焊接性、耐蚀性等均十 置为67°.铜锡合金于碳钢基板上成形，基板预热 分优异，能够满足航天航空、新一代通讯网络、高速 温度为80℃，SLM成形技术参数采用正交实验设 轨道交通等对复杂形状关键部件的工程需求⑧-川 计优化，考察激光功率(120、140、160W),扫描速 文献中对铜锡合金基本体系的组织性能报道 度(300,600,900mms)、扫描间距(0.03、0.05、 较多，但SLM成形合金凝固组织特征及对性能的 0.07mm)对合金成形致密度的影响，块体样品成 影响规律与传统熔铸态有所不同.铜锡合金结晶 形尺寸5mm×5mm×5mm.同时，采用真空感应熔 温度范围较宽、成分间隔大，铸态组织中品粒粗 炼纯度99.99%的纯铜、锡，炉冷后得到Cu-5%Sn 大，存在枝晶偏析与宏观反偏析，强度与塑性较低] 合金铸锭，作为SLM组织与性能对比研究参照. 而SLM成形时合金粉末在高能激光作用下熔化 1.2微观结构表征与力学性能测试 形成独特微小液相熔池并经历快速冷凝与重熔交 使用阿基米德排水法测量SLM成形合金相对 变过程，熔池内温度梯度极高，熔体凝固组织与相 密度以量化考量合金成形致密度，采用图像分析 变过程复杂)相关研究表明锡、铜原子尺寸相差 法20分析样品孔隙率以验证相对密度测量值.应 较大，原子间扩散速度慢，且铜与锡易有序化形成 用D8-Advance X射线衍射仪分析样品相组成：激 超点阵结构合金相4，因而合金发生相转变时 光共聚焦LEXT OLS4100与光学显微OLMPUS 可能形成若干亚稳相并与平衡相共存网.然而，以 PMG3观察成形样品表面，日立SU8020扫描电子 往相关文献中对合金SLM成形时可能涉及的非 显微镜分析样品显微组织，FEI Talos F20OX对样 平衡相转变关注甚少，对成形合金非平衡凝固组 品结构进行透射电子显微分析.在力学性能测试 织特征及其对性能的影响作用研究不足.而在铜 中，使用泰明HXD-1000 TMC/LCD数字显微硬度 锡体系基础上创新开发适应SLM成形制备的高 仪测试样品显微硬度（实验载荷300g,加载时间 性能铜合金，则需要重新审视和深入探索其在SLM 10s).依据ASTM E-8标准分别SLM成形制备 条件下表现出的凝固组织与性能新特征.本文选 1mm厚与3mm厚拉伸板状试样，拉伸样品表面 取有重要工程应用价值的Cu-5%Sn合金经激光 经砂纸打磨至光洁后，采用NSTRON5985万能材 选区熔化制备高致密度合金样品，对其相组成、显 料试验机进行准静态拉伸试验， 微组织进行表征分析，并结合力学性能测试，探索 其非平衡凝固组织特征及其对SLM成形合金力 2分析与讨论 学性能的强化作用 2.1合金激光选区熔化成形 1实验 SLM参数对成形质量的影响程度会因具体试 验条件不同而异B,6刀表1所示为激光功率(P)、 1.1实验材料与激光选区熔化成形 扫描速度()、扫描间距(L)设计参数及体能量密 原始粉末选用有研粉末新材料有限公司提供 度()对合金成形样品相对密度的影响结果，其中 的气雾化Cu-5%Sn合金粉末，粉末球形度良好， (Jmm3)由下式计算获得，式中H为层厚 颗粒直径约20~50μm,其中氧质量分数约为0.019%， P 山= (1) 流动性良好，松装密度为3.991gcm3.SLM成形 rLHThe Sn-rich nanoparticles with super-lattice structures precipitates along the grain boundaries and inside the grains. With the combined effects  of  grain  fining,  super-lattice-structured  nanoparticles  precipitation,  solid  solution,  and  thermal  residual  stress,  the  SLM-built Cu –5%Sn  alloy  shows  significantly  enhanced  mechanical  properties,  such  as  HV  133.83  Vickers  hardness,  326  MPa  yield  strength, 387 MPa tensile strength, and 22.7% fracture extension. Such scientific information is very useful for improving the alloy composition design and optimizing the SLM processing parameters. KEY  WORDS    copper  alloy； nonferrous  metals； solidification  microstructure； precipitation； selective  laser  melting； mechanical property 铜合金一直具有广泛的工程应用，近年来又作 为一类重要的新兴增材制造原材料而备受国内外 关注[1−7] . 选用激光选区熔化（Selective laser melting, SLM）增材技术制备的铜合金产品，收缩系数小，机 械性能、导电性、导热性、焊接性、耐蚀性等均十 分优异，能够满足航天航空、新一代通讯网络、高速 轨道交通等对复杂形状关键部件的工程需求[8−11] . 文献中对铜锡合金基本体系的组织性能报道 较多，但 SLM 成形合金凝固组织特征及对性能的 影响规律与传统熔铸态有所不同. 铜锡合金结晶 温度范围较宽、成分间隔大，铸态组织中晶粒粗 大，存在枝晶偏析与宏观反偏析，强度与塑性较低[12] . 而 SLM 成形时合金粉末在高能激光作用下熔化 形成独特微小液相熔池并经历快速冷凝与重熔交 变过程，熔池内温度梯度极高，熔体凝固组织与相 变过程复杂[13] . 相关研究表明锡、铜原子尺寸相差 较大，原子间扩散速度慢，且铜与锡易有序化形成 超点阵结构合金相[14−18] ，因而合金发生相转变时 可能形成若干亚稳相并与平衡相共存[19] . 然而，以 往相关文献中对合金 SLM 成形时可能涉及的非 平衡相转变关注甚少，对成形合金非平衡凝固组 织特征及其对性能的影响作用研究不足. 而在铜 锡体系基础上创新开发适应 SLM 成形制备的高 性能铜合金，则需要重新审视和深入探索其在 SLM 条件下表现出的凝固组织与性能新特征. 本文选 取有重要工程应用价值的 Cu‒5%Sn 合金经激光 选区熔化制备高致密度合金样品，对其相组成、显 微组织进行表征分析，并结合力学性能测试，探索 其非平衡凝固组织特征及其对 SLM 成形合金力 学性能的强化作用. 1    实验 1.1    实验材料与激光选区熔化成形 原始粉末选用有研粉末新材料有限公司提供 的气雾化 Cu‒5%Sn 合金粉末，粉末球形度良好， 颗粒直径约 20～50 μm，其中氧质量分数约为 0.019%， 流动性良好，松装密度为 3.991 g·cm−3 . SLM 成形 采用 EOS M100 3D 打印设备（EOS，德国），通入纯 度≥99.999% 的高纯氩气，扫描层厚设为 20 μm. 为 减少样品成形组织形成择优取向，成形过程中 每一新层与已凝固成形层的扫描路径间夹角设 置为 67°. 铜锡合金于碳钢基板上成形，基板预热 温度为 80 ℃，SLM 成形技术参数采用正交实验设 计优化，考察激光功率 (120、140、160 W)，扫描速 度 （ 300， 600， 900 mm·s−1）、扫描间距（ 0.03、 0.05、 0.07 mm）对合金成形致密度的影响，块体样品成 形尺寸 5 mm×5 mm×5 mm. 同时，采用真空感应熔 炼纯度 99.99% 的纯铜、锡，炉冷后得到 Cu‒5%Sn 合金铸锭，作为 SLM 组织与性能对比研究参照. 1.2    微观结构表征与力学性能测试 使用阿基米德排水法测量 SLM 成形合金相对 密度以量化考量合金成形致密度，采用图像分析 法[20] 分析样品孔隙率以验证相对密度测量值. 应 用 D8-Advance X 射线衍射仪分析样品相组成；激 光共聚 焦 LEXT  OLS4100 与光学显 微 OLMPUS PMG3 观察成形样品表面，日立 SU8020 扫描电子 显微镜分析样品显微组织，FEI Talos F200X 对样 品结构进行透射电子显微分析. 在力学性能测试 中，使用泰明 HXD-1000TMC/LCD 数字显微硬度 仪测试样品显微硬度（实验载荷 300 g，加载时间 10 s） . 依据 ASTM E-8 标准分别 SLM 成形制备 1 mm 厚与 3 mm 厚拉伸板状试样，拉伸样品表面 经砂纸打磨至光洁后，采用 INSTRON 5985 万能材 料试验机进行准静态拉伸试验. 2    分析与讨论 2.1    合金激光选区熔化成形 SLM 参数对成形质量的影响程度会因具体试 验条件不同而异[2, 6−7] . 表 1 所示为激光功率 (P)、 扫描速度 (r)、扫描间距 (L) 设计参数及体能量密 度（ψ）对合金成形样品相对密度的影响结果，其中 ψ（J·mm−3）由下式计算获得，式中 H 为层厚. ψ = P rLH （1） 李小璇等： 铜锡合金激光选区熔化非平衡凝固组织与性能 · 1101 ·