难互溶钢/铜多材料激光粉末床熔融增材制造

| 3DScienceValley · 2024/01/03

谷专栏

传统的钢-铜多材料组件制造包括以下步骤：焊接、热轧和复合铸造。然而，多材料AM-增材制造技术可以在优化的工艺条件下一步生产出机械性能得到改善的钢/铜多材料组件，例如：316 L/CuSn10 不锈钢铜合金组件。

浙江工业大学激光先进制造研究院分享了一项激光粉末床熔融（LPBF）增材制造技术制备的钢/铜多材料研究成果。该研究成果来自于北京科技大学张百成团队，研究了激光粉末床熔融（LPBF）制备的Cu10Sn-SS316L（青铜-奥氏体316L不锈钢）成分梯度合金的显微组织和力学性能，实现了纳米级铁颗粒的弥散分布控制。相关研究成果以题为“Laser powder bed fusion of immiscible steel and bronze: A compositional gradient approach for optimum constituent combination”的论文发表在材料学TOP期刊《Acta Materials》上。

论文链接：
https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S1359645423009011

钢/铜多材料制造的挑战

发电、空调、热交换器和压铸工业等领域，研发铜铁合金具有重要的实践意义，因其兼具铜的优异导热/导电性和316L的高强度与高韧性。然而，将Cu合金与钢混合存在挑战。

首先，由于铜合金和钢的热膨胀系数(CTEs)差异大，导致在铜合金-不锈钢界面处产生大量失配应变和残余应力，可能引起开裂。其次，这两种合金在固态和液态下是互不相溶的，从而需重点关注其界面结构完整性。第三，观察在冷却两种合金的熔融混合物时发现，钢先凝固导致液态铜合金渗入其晶界。在凝固过程中，铜合金发生收缩，导致材料产生液化裂纹。因此，传统的加工方法如铸造等，无法成功混合铜-钢合金。已有学者通过激光粉末床熔融（LPBF）技术将Cu和Fe混合为纯金属混合物或合金形式，但仍存在重要问题。截至目前，基于熔炼、形变、粉末冶金等铜铁合金制备方法尚未实现纳米级铁颗粒的弥散分布控制。

主要研究成果

为了解决这一问题，北京科技大学张百成团队研究了激光粉末床熔融（LPBF）制备的Cu10Sn-SS316L（青铜-奥氏体316L不锈钢）成分梯度合金的显微组织和力学性能。通过实验筛选，发现在80%Cu10Sn-20%SS316L的成分配比下，沉积部件具有远高于两种原材料的力学性能（UTS>800 MPa，EL>9%）。通过实验观察与模拟研究，在LPBF微观熔池中，在马尔戈尼效应以及熔池末端声波作用下，双液相被进一步分散均匀化。同时，在超快冷速（106~107K/s）的条件下，富铜液相发生了纳米尺度下的旋节分解，最终形成了弥散分布在铜基体中的纳米级BCC相球形铁颗粒结构，这种纳米结构在材料形变过程中起到钉扎作用，从而提高了力学性能。这一发现为高能束增材制造材料设计与性能优化提供了一条崭新的思路。

图1. 梯度打印示意图及试样样品。

图2. 20, 40, 60 and 80 wt.% Cu10Sn成分切片的高倍BSE照片。

图3.增材制造方法和传统工艺生产的Cu-Fe合金极限抗拉强度和伸长率比较。

图4. (a)从80 wt. % Cu10Sn的拉伸试样中提取的TEM明场像。(b) α-Cu和α-Fe界面的HRTEM图像和(c)基体中的层错图像。(d)为(c)中层错的FFT和IFFT图像。

来源 l 浙江工业大学激光先进制造研究院

论文引用信息：

Yaojie Wen, Xiaoke Wu, Ankun Huang, Ramasubramanian Lakshmi Narayan, Pei Wang, Lijun Zhang, Baicheng Zhang, Upadrasta Ramamurty, Xuanhui Qu,Laser powder bed fusion of immiscible steel and bronze: A compositional gradient approach for optimum constituent combination,

Acta Materialia,Volume 264,2024,119572,ISSN 1359-6454,

https://doi.org/10.1016/j.actamat.2023.119572.

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