工程科学学报.第43卷.第8期：1100-1106.2021年8月 Chinese Journal of Engineering,Vol.43,No.8:1100-1106,August 2021 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2020.10.29.006;http://cje.ustb.edu.cn 铜锡合金激光选区熔化非平衡凝固组织与性能 李小璇)，王曾洁2)四，贺定勇12，刘轩)，薛济来引 1)北京工业大学材料与制造学部，北京1001242)北京市生态环境材料及其评价工程技术研究中心，北京1001243)北京科技大学治金 与生态工程学院，北京100083 ☒通信作者，E-mail:wangzj@bjut.edu.cn 摘要对具有重要工程应用价值的Cu-5%Sn合金进行激光选区熔化(SLM)成形，在激光功率160W、扫描速度300mms、 扫描间距0.07mm条件下，合金样品相对密度可达99.2%，熔池层与层堆积密实，表面质量良好.研究发现所获合金具有非平 衡凝固组织特征，其中以a-Cu(S)固溶体相为主，且涉及具有超结构的y相、δ相.显微形貌主要由柱状晶与富锡网状组织构 成，伴随有不同尺度界面S元素偏析及晶界、晶内纳米尺寸超结构合金相颗粒析出.所获合金的力学性能与同成分铸态合 金或较低Sn含量SLM合金相比得到显著强化，表面硬度可达HV133.83.屈服强度326MPa.抗拉强度387MPa及断裂总延 伸率22.7%. 关键词铜合金：有色金属：凝固组织：析出：激光选区熔化：力学性能 分类号TF801.1 Nonequilibrium solidification microstructures and mechanical properties of selective laser-melted Cu-Sn alloy LI Xiao-xuan,WANG Zeng-jie,HE Ding-yong2),LIU Xuan,XUE Ji-lai 1)Faculty of Materials and Manufacturing,Beijing University of Technology,Beijing 100124,China 2)Beijing Engineering Research Center of Eco-materials and LCA,Beijing 100124,China 3)School of Metallurgical and Ecological Engineering,University of Science and Technology Beijing,Beijing 100083,China Corresponding author,E-mail:wangzj@bjut.edu.cn ABSTRACT Cu-based alloys can be used as a selective laser melting (SLM)material for advanced engineering applications,such as aerospace,5G mobile networks,and high-speed transportation.The mechanical properties and solidification microstructures of Cu alloys prepared using the casting technique differ from those prepared using the SLM technique,and SLM-built alloys can involve more complex microstructures and phase transformations developed in micromolten pools produced by high-power laser beams.However, nonequilibrium solidification microstructures and mechanical properties of SLM-built Cu-Sn alloys have seldom been studied in the literature.In this work,the Cu-5%Sn alloy was investigated using the SLM technique,along with cast Cu-Sn alloys for comparison.The high quality Cu-based alloy samples were fabricated using the SLM technique,with optimized processing parameters of 160 W laser power,300 mm-s scanning speed,and 0.07 mm line spacing.The samples exhibit a relative density of 99.2%,and virtually no pores and spheroidizing phenomena or warping defects were observed.The microstructural analysis of SLM-built Cu-5%Sn alloy reveals a nonequilibrium solidification feature under high cooling rates and rapid alternative thermal conditions during the SLM fabrication process,in which the a-Cu(Sn)solid solution is the major phase along with Y and phases.Columnar grains and reticular microstructures dominate the solidified SLM-built alloy,while segregated Sn appears in the boundaries of all levels within the alloys. 收稿日期：2020-10-29 基金项目：北京市教委科技计划资助项目(KM201910005010):国家自然科学基金资助项目(51674025)：中央高校基本科研业务费专项资 金资助项目(FRF-UM-15-049)铜锡合金激光选区熔化非平衡凝固组织与性能 李小璇1)，王曾洁1,2) 苣，贺定勇1,2)，刘    轩3)，薛济来3) 1) 北京工业大学材料与制造学部，北京 100124    2) 北京市生态环境材料及其评价工程技术研究中心，北京 100124    3) 北京科技大学冶金 与生态工程学院，北京 100083 苣通信作者，E-mail: wangzj@bjut.edu.cn 摘    要    对具有重要工程应用价值的 Cu‒5%Sn 合金进行激光选区熔化（SLM）成形，在激光功率 160 W、扫描速度 300 mm·s−1、 扫描间距 0.07 mm 条件下，合金样品相对密度可达 99.2%，熔池层与层堆积密实，表面质量良好. 研究发现所获合金具有非平 衡凝固组织特征，其中以 α-Cu(Sn) 固溶体相为主，且涉及具有超结构的 γ 相、δ 相. 显微形貌主要由柱状晶与富锡网状组织构 成，伴随有不同尺度界面 Sn 元素偏析及晶界、晶内纳米尺寸超结构合金相颗粒析出. 所获合金的力学性能与同成分铸态合 金或较低 Sn 含量 SLM 合金相比得到显著强化，表面硬度可达 HV 133.83，屈服强度 326 MPa，抗拉强度 387 MPa 及断裂总延 伸率 22.7%. 关键词    铜合金；有色金属；凝固组织；析出；激光选区熔化；力学性能 分类号    TF801.1 Nonequilibrium  solidification  microstructures  and  mechanical  properties  of  selective laser-melted Cu–Sn alloy LI Xiao-xuan1) ，WANG Zeng-jie1,2) 苣 ，HE Ding-yong1,2) ，LIU Xuan3) ，XUE Ji-lai3) 1) Faculty of Materials and Manufacturing, Beijing University of Technology, Beijing 100124, China 2) Beijing Engineering Research Center of Eco-materials and LCA, Beijing 100124, China 3) School of Metallurgical and Ecological Engineering, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China 苣 Corresponding author, E-mail: wangzj@bjut.edu.cn ABSTRACT    Cu-based alloys can be used as a selective laser melting (SLM) material for advanced engineering applications, such as aerospace, 5G mobile networks, and high-speed transportation. The mechanical properties and solidification microstructures of Cu alloys prepared  using  the  casting  technique  differ  from  those  prepared  using  the  SLM  technique,  and  SLM-built  alloys  can  involve  more complex  microstructures  and  phase  transformations  developed  in  micromolten  pools  produced  by  high-power  laser  beams.  However, nonequilibrium solidification microstructures and mechanical properties of SLM-built Cu –Sn alloys have seldom been studied in the literature. In this work, the Cu–5%Sn alloy was investigated using the SLM technique, along with cast Cu–Sn alloys for comparison. The high quality Cu-based alloy samples were fabricated using the SLM technique, with optimized processing parameters of 160 W laser power, 300 mm·s−1 scanning speed, and 0.07 mm line spacing. The samples exhibit a relative density of 99.2%, and virtually no pores and spheroidizing phenomena or warping defects were observed. The microstructural analysis of SLM-built Cu–5% Sn alloy reveals a nonequilibrium  solidification  feature  under  high  cooling  rates  and  rapid  alternative  thermal  conditions  during  the  SLM  fabrication process,  in  which  the  α-Cu(Sn)  solid  solution  is  the  major  phase  along  with  γ  and  δ  phases.  Columnar  grains  and  reticular microstructures dominate the solidified SLM-built alloy, while segregated Sn appears in the boundaries of all levels within the alloys. 收稿日期: 2020−10−29 基金项目: 北京市教委科技计划资助项目（KM201910005010）；国家自然科学基金资助项目（51674025）；中央高校基本科研业务费专项资 金资助项目（FRF-UM-15-049） 工程科学学报，第 43 卷，第 8 期：1100−1106，2021 年 8 月 Chinese Journal of Engineering, Vol. 43, No. 8: 1100−1106, August 2021 https://doi.org/10.13374/j.issn2095-9389.2020.10.29.006; http://cje.ustb.edu.cn