选择性激光熔化Cu10Sn合金成型试验

摘 要： 通过选择性激光熔化（SLM）制备了高致密Cu10Sn试样，研究了试样的微观结构和力学性能。研究发现，CuSn10合金可以一次性成功地通过SLM工艺成型，激光功率能够对成型件的致密度和力学性能产生决定性的影响。结果表明，最佳的工艺参数为：激光功率47.5 W，扫描速度140 mm/s，扫描间距70 μm，铺粉层厚30 μm。最佳工艺参数条件下成型零件的致密度在99%以上，拉伸强度为502 MPa，屈服强度为458 MPa，延伸率在19%左右，维氏硬度值可以达到156 Hv。SLM成型过程中较高的冷却速率可以极大地改善微观组织结构提高成型性能；若减少成型缺陷，SLM成型件的拉伸强度可以更高。

关键词： 选择性激光熔化；CuSn10；工艺参数；力学性能；微观组织

中图分类号：TN249；TG665 文献标识码：A 文章编号：2095-8412 （2018） 04-007-05工业技术创新 URL： http： // DOI： 10.14103/j.issn.2095-8412.2018.04.002

引言

选择性激光熔化（SLM）成型技术，是一种可以通过高能激光束熔化层层金属粉末获得高度致密金属件的增材制造技术[1-3]。SLM制造和传统制造技术相比，具有一系列的优势：一是SLM成型工艺可以直接制造出传统工艺加工比较困难甚至无法加工的结构高度复杂的零件；二是获得的零件性能可以和锻造获得的零件相媲美；三是SLM成型不需要昂贵的刀具和辅助机加工设备，可以节省大量的成本和加工时间[4，5]。SLM这种柔性技术不仅可以制造出形状复杂的零件，而且为亚稳相和微观结构的产生提供了可能性。SLM技术在成型过程中能够产生微米级尺寸的熔池，同时伴随着极高的冷却速率。

目前SLM研究的领域主要局限在钢和铁基、钛及其合金、高温合金及镍基[6-9]等材料。青铜是人类熟知的最古老的合金之一[10]，即使在当今也依然在几大领域有着举足轻重的应用。除青铜雕塑和乐器之类的艺术作品外，青铜在电连接器、高精度弹簧和轴承等一系列应用中也具有十分重要的技术意义[11]。 此外，青铜优异的抗盐水腐蚀性能，使其在海洋领域，如在航海推进系统和海水处理系统中获得了广泛应用[12]。铜合金近年来逐渐被作为一种潜在的SLM材料而受到研究。

研究铜合金的SLM成型具有许多困难。为了研究Cu合金的SLM成型性，本文选择Cu10Sn青铜合金作为研究对象，研究了Cu10Sn青铜合金SLM成型试件的微观结构和成型力学性能。选择Cu10Sn青铜合金作为研究对象主要是因为该合金材料被广泛应用在齿轮行业和珠宝领域，且不需要任何热处理，其性能主要取决于凝固过程中生成的微观组织结构[13]。因此，这种成型即用的优势使得Cu基合金材料的SLM成型研究具有极大的实际应用意义。

1 材料

试验成型粉末使用浙江亚通焊材有限公司自主研发生产的真空气雾化Cu10Sn合金，粉末粒径分布范围在15～53 μm之间，化学成分如表1所示。图1a所示为成型粉末的SEM照片，通过SEM图片观察到该成型金属粉末具有极佳的球形度，通过金属粉末霍尔流速计测得成型粉末的流动性为17.8 s/50 g。图1b所示为成型粉末的横截面形貌，可以观察到成型粉末几乎没有孔洞或其他缺陷。成型粉末的粒径分布为D10=21 μm，D50=31 μm，D90=48 μm，如图1c所示。粒径测量仪器为百特激光粒度仪，流动性的测量使用百特金属粉末霍尔流速测量计。良好的流动性和较高的球形度表明该合金粉末比较适合选择性激光熔化成型。

2 试验过程

成型试验设备为3D Systems ProX 100型SLM成型机，最大激光功率为50 W。成型试验工艺参数（激光功率、扫描速度、扫描间距和铺粉层厚）如表2所示。试验所需SLM成型样件如图2a和2b所示。拉伸试验在一台美特斯拉伸试验设备上进行，拉伸速率为2 mm/min。经磨抛和腐蚀处理，进行金相组织观察。微觀组织特征和断口形貌使用蔡司光学显微镜和扫描电镜观察。使用FM-800型显微硬度计，按照维氏硬度测试SLM成型件的显微硬度，加载载荷为200 g，加载和卸载时间均为10 s。

3 结果和讨论

3.1 激光功率对致密度和硬度的影响

不同激光功率下成型件显微致密度和硬度曲线如图3所示。结合表2可知，在其他参数不变的情况下，随着激光功率的增加，致密度增加。这是因为随着激光功率的增加，成型温度升高，有利于熔化的金属液滴的较好流动和内部气体的逸出，进而减少了气孔和凹痕的形成，增加了成型试件致密度。但是，如果激光功率过高，激光能量的增大会导致熔池表面产生巨大的能量冲击，引起合金溶体飞溅，飞溅的液滴凝固回落熔池表面，形成固体小球，产生球化效应，会降低成型件的致密度。

与此同时，随着激光功率的增加， Cu10Sn的硬度整体表现为先增大后减小的趋势。激光功率在47.5 W左右时， Cu10Sn样品的硬度达到最大值156 Hv；功率低于47.5W会导致气孔、未完全熔化的合金颗粒等缺陷；功率过高时与致密度的情况相同，同样会引起球化效应等缺陷。球化缺陷会导致新一层合金粉末及熔池的不连续，而在小球周围产生气孔、夹杂等缺陷，从而降低Cu10Sn合金的硬度。

3.2 激光功率对拉伸性能的影响

拉伸性能是表征材料机械性能和衡量零件质量的一个重要指标之一。激光增材制造金属零件的拉伸性能通常优于传统铸造零件，热处理后与相同条件下的锻造零件相当。SLM成型是一个快速熔化与凝固的过程，快速的冷却速率有助于成型零件内部细小微观组织的生成和均匀分布。

图4所示为Cu10Sn在不同功率下SLM成型试样的拉伸性能变化曲线。由图4可见，SLM Cu10Sn的拉伸强度随着激光功率的增加而呈现出逐步增加的趋势，当激光功率在47.5 W时，达到最大值502 MPa。延伸率也随着激光功率的增加而呈现出逐步增加的趋势。成型过程中固有成型缺陷的存在会导致延伸率降低或者不稳定。孔隙的生成、成型区域的不充分熔化、未熔化粉末颗粒的存在，均会导致韧性下降。气体的滞留或成型粉末的不充分熔化，导致成型层与层间冶金结合的减弱。成型缺陷的存在对延伸率的影响明显高于对材料强度的影响。

成型工艺参数会影响成型热经历、微观结构和相生成，最终影响成型试件的机械性能。工艺参数影响熔池的形状和尺寸，以及入射能量、冷却速率和热梯度。较高的激光功率或者较低的扫描速度，导致线能量密度（激光功率/扫描速度）过高，冷却速率降低。增加扫描速度或者降低激光功率可以降低冷却速率。当激光入射能量较高时，熔池冷却速率降低，平均熔池温度较高。冷却速率不同最终将导致成型试件微观组织和机械性能方面存在差异。

3.3 微观组织和断口形貌特征

SLM零部件的微观组织结构主要取决于其所经历的热历史，特别是在成型过程中的热梯度和冷却速率。激光工艺控制着热量的输入，进而影响冷却速率。图5a所示为直接成型试样腐蚀金相以后的微观组织SEM照片。观察微观组织结构发现该组织由α-Cu（Sn）相（暗相位）的核心枝晶体组成，Sn含量从中心（凝固起始区域）到边界逐渐增加，枝晶间伴随有α+δ类共析结构（明亮的相位）和收缩孔洞。ε平衡相也可能会存在，但是由于它的生成过程比较缓慢，且由于树枝状边缘结构反应生成了共析结构，以及由于通过一系列复杂反应和分解而生成的富含大量Sn的残余液体，所以该相不容易被观察到。

图5b所示为拉伸试样断裂后断口的SEM照片。尽管由试样断口形貌中可以观察到较多的韧性断裂特征，但依然可以观察到数量较少的未熔化粉末颗粒和孔隙缺陷。这些缺陷对拉伸强度和屈服强度没有显著的影响，但对断裂延伸率有极为显著的影响。

SLM试件最大的屈服强度为458 MPa，抗拉强度为502 MPa，延伸率大约为19%。SLM试件的屈服强度远远高于铸造试件[11]，主要是因其拥有极大的塑性和应变硬化。因此，SLM提供了将组件的生产与极其复杂的几何结构相结合的可能性，这是常规加工路线难以或不可能做到的，同时固有材料性能得到增强。尽管SLM部件的表面粗糙度相当高，但该测试证明SLM在单一加工步骤中可以生产具有复杂形状的高强度青铜部件。

4 结论

本文通过Cu10Sn合金的SLM获得了近乎100%全致密增材制造金属铜基零件，分析了Cu10Sn的SLM试样微观组织和力学性能。试验结果表明，SLM获得Cu10Sn青铜试样由伴随有α+δ枝晶间的α-Cu芯部枝晶体组成。由于SLM成型工艺的冷却速率较大，所以可以获得比较细小的微观结构。这类细小的微观组织Cu10Sn对青铜的力学性能具有非常重要的影响。

本次研究中最佳的工艺参数为：激光功率47.5 W，扫描速度140 mm/s，扫描间距70 μm，铺粉层厚30 μm。最佳工艺参数条件下的SLM成型件的屈服强度为458 MPa，抗拉强度为502 MPa，延伸率在19%左右，最大显微硬度为156 Hv。

上述研究成果表明，SLM工艺不仅有助于成型出高强度的Sn青铜零件，还为不同结构形态Cu基合金零部件的成型提供了一种新的高效的方式。此外，这些研究也进一步表明，SLM工艺不仅是复杂结构形态的零件制造的一种极佳的柔性制造技术，而且SLM快速熔化凝固的特殊成型原理也为材料获得永久的高性能提供了极大的可能性。

基金项目

1. 增材制造与再制造用金属粉体实验室建设（2016F10004）

2. 三维打印关键材料制备技术（2015C01037）

参考文献

[1]OSAKADA K， SHIOMI M. Flexible manufacturing of metallic products by selective laser melting of powder [J]. International Journal of Machine Tools and Manufacture， 2006，46（11）： 1188-1193.

[2]李怀学， 孙帆， 黄柏颖. 金属零件激光增材制造技术的发展及应用[J]. 航空制造技术， 2012， 55（20）： 26-31.

[3]郭璐. 3D打印技术发展综述[J]. 工业技术创新， 2016， 3（6）： 1288-1292.

[4]Chun Yu Zhang， Yun Peng Ren. The development situation of selective laser melting metal powder based on 3D printing [J]. Journal of materials science， 2014， 518（12）： 12-18.

[5]楊永强， 王迪， 吴伟辉. 金属零件选区激光熔化直接成型技术研究进展[J]. 中国激光， 2011， 38（6）： 54-64.

[6]刘邦涛， 田操， 张爱平. 选择性激光熔化镍基高温合金的成形工艺[J]. 黑龙江科技大学学报， 2016， 26（2）： 138-142.

[7]刘锦辉， 史金光， 李亚. 选择性激光熔化AlSi10Mg合金粉末的成形工艺[J]. 黑龙江科技大学学报， 2015（5）： 509-515.

[8]刘锦辉， 刘邦涛， 魏青松， 等. 大功率激光熔化镍基高温合金成形实验研究[J]. 黑龙江科技大学学报， 2014， 24（4）： 422-425.

[9]付立定. 不锈钢粉末选择性激光熔化直接制造金属零件研究[D]. 武汉： 华中科技大学， 2008.

[10]Tylecote R F. A history of metallurgy [M]. London： Maney Publishing， 2002.

[11]Alavudeen A， Venkateshwaran N， Winowlin Jappes J T. A textbook of engineering materials and metallurgy [M]. New Delhi： Laxmi Publications， 2006.

[12]Barik R C， Wharton J A， Wood R J K， et al. Erosion and erosion–corrosion performance of cast and thermally sprayed nickel–aluminium bronze [J]. Wear， 2005， 259（1-6）：230-242.

[13]Davis J R. Copper and copper alloys [M]. Materials Park： ASM International， 2001.

推荐访问： 合金 熔化 选择性 成型 激光