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

張熙熙

一、 【導讀】?

增材制造(AM)有限的適用合金數量嚴重阻礙了該技術的廣泛應用。，因此需要高通量方法進行成分篩選。其中，直接能量沉積(DED)和激光粉末床熔融(LPBF)技術已經被用于使用混合粉末(而非單一類型的預合金粉末)構建成分梯度合金，這些技術可以快速檢查多種成分的可打印性，微觀結構和機械性能。

在LPBF中，成分梯度可以設計成平滑連續的，也可以設計成階梯式的。其中階梯式的設計方法仍有較多掣肘，例如i）為確保成分均勻，成分粉末需要提前充分混合，需要花費大量時間。ii）為避免成分的突然變化導致的臺階界面開裂。可能需要對LPBF設置進行修改，將給粉系統從固定的供料倉改造為具有多個不同粉倉的移動料斗，難度較大。iii）缺乏適當的混合會導致微觀的化學偏析。由于對波長大于1μm(LPBF中最常用的波長)的激光器具有較高的反射率，熱導率和易形成氧化物，使用LPBF制造銅及其合金極具挑戰性。因此，有必要探索保證銅合金可靠打印的最低合金含量。

二、【成果掠影】

近日，南洋理工大學Siyuan Wei，新加坡材料研究與工程研究所科學、技術與研究局Pei Wang設計了一種簡單有效的成分梯度合金制備方法，并成功制備出了Ni含量在0.6 ~ 9.8 wt.%范圍內的均勻梯度二元Cu-Ni合金。這些合金在結構和功能上都有重要的應用，并且使用LPBF制造的Cu-Ni合金在可印刷性、微觀結構和機械性能上仍有極大的探索空間。通過制備具有連續成分梯度的合金相比于隨機成分合金，可以更準確地獲得臨界合金元素Ni的含量。在此基礎上，研究者采用LPBF制備了具體組成為Cu-7.6Ni-3Al (wt.%)的合金，并對其進行了時效表征。

相關研究工作以“Laser powder bed fusion of a Cu-Ni-Al alloy using the compositional grading approach”為題發表在國際頂級期刊Scripta Materialia上。

?三、【核心創新點】

采用改進的激光粉末床熔合(LPBF)技術制備了一種成分梯度的Cu-Ni合金。通過對從中提取的樣品進行顯微組織和力學表征，確定了添加7.6 wt.%Ni的Cu-Ni合金是使用LPBF獲得無裂紋和接近全致密的試樣所需的最小值。隨后，在Cu-7.6 wt.%合金中加入3wt .% Al，使LPBF Cu-Ni-Al合金在時效過程中析出Ni₃Al，從而耗盡基體中的溶質Ni原子，同時提高了合金的強度和導電性。展示了通過制造成分梯度合金和隨后的合金設計以獲得最佳性能組合來高通量篩選適合LPBF的合金的潛力。

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?四、【數據概覽】

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圖1 (a)本研究中用于制備成分梯度的Cu-Ni合金的LPBF裝置示意圖。(a)采用(b)工藝制備的Cu-Ni合金。標記出構建方向(BD)、梯度方向(GD)和橫向方向(TD)。? ? 2023 Acta Materialia Inc.

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圖2 利用EDS線掃描進行表征的沿(a)梯度方向(GD)、(b) 構建方向(BD)和(c)橫向方向(TD)繪制梯度樣品位置的Ni含量圖。(a)中的插圖是Cu(紅色)和Ni(藍色)的代表性EDS映射，以及二次電子圖像。(d)使用電子背散射衍射(EBSD)獲得的0.6、4.6和7.6 wt.% Ni樣品的逆極圖(IPFs)。每張圖片都標注了Ni的含量? 2023 Acta Materialia Inc.

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圖3 (a)硬度和電導率隨Ni含量的變化。(b) 6種Cu-Ni合金的工程應力-工程應變圖，每個圖附近都標有Ni含量，單位為wt.%。插圖是5.5和7.6 wt.% Cu-Ni樣品斷口的代表性二次電子圖像。? ? 2023 Acta Materialia Inc.

圖4 (a) Cu-7.6Ni-3Al樣品具有代表性的后向散射電子圖像。(b)熱處理時間不同的Cu-7.6Ni-3Al樣品的硬度和電導率。(c) Cu-7.6Ni和Cu-7.6Ni- 3al樣品(打印、時效4 h和時效24 h)的工程應力-應變圖。? 2023 Acta Materialia Inc.

圖5 (a) AP樣品的掃描透射電子顯微鏡(STEM)亮場(BF)圖像和(b)其對應的選定區域電子衍射圖(SAED)模式。(c-d)老化4 h樣品的STEM-BF、SAED和TEM-暗場(DF)圖像。(f-h) 24h老化樣品的STEM-BF、SAED和TEM-DF圖像。請注意，(e)和(h)的DF圖像分別使用(d)和(g)中黃色圓圈突出的點獲得。在每個SAED模式中標記區域軸。

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五、【成果啟示】

在LPBF中使用改進的粉末供應系統制備了Ni含量在0.6 ~ 9.8 wt.%之間的成分梯度Cu-Ni合金。從梯度合金中提取的樣品的顯微組織和力學特性表明，在Cu中添加最小的7.6 wt.%的Ni是制造無裂紋和接近全致密合金的必要條件。Cu-7.6 wt.%合金具有良好的強度和延展性，但其體電阻較差。因此，加入3wt .%的Al，在LPBF后時效過程中形成Ni₃Al析出物，顯著提高了硬度、強度和導電性。除了析出硬化外，位錯密度和氧化物顆粒的增加也有助于LPBF和時效合金的強度。

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原文詳情：https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S1359646223001653