热处理对金属3D打印CuCrZr合金力学性能及导电性能的影响|基体|固溶

热处理对金属3D打印CuCrZr合金力学性能及导电性能的影响

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CuCrZr合金由于具有良好的导电性能和力学性能，被广泛应用于国际热核聚变实验堆(ITER)零件、航空发动机零部件、高铁接触线等领域。然而，传统的加工方式（铸造、锻压、拉拔等）难以加工结构复杂的零部件，且加工生产周期长，成本高。近几十年来，3D打印技术发展迅速，采用SLM技术制备CuCrZr合金零部件已成为一种趋势。

铜铬锆(CuCrZr)三元体系主要依靠Cr的析出或CuxZry化合物（如Cu4Zr和Cu5Zr等）来改变微观结构，从而改善物理性能。研究表明，热处理对SLM制备的铜合金有显著影响。

上海理工大学材料与化学学院陈小红教授团队唐湘鹏等研究了热处理对金属3D打印CuCrZr合金力学性能及导电性能的影响。采用SLM制备后的CuCrZr合金屈服强度（YS）高达411 MPa，抗拉强度（UTS）为460MPa，延伸率13%，硬度145HV。然而导电性能较差，只有31% IACS。在500℃下时效1h后，UTS可达585 MPa，电导率为64% IACS。时效后的样品与打印后的相比，力学、导电性能大大提升。

该团队使用的CuCrZr粉末由威拉里新材料科技有限公司提供，打印设备由德国通快公司提供（型号：TruPrint 1000），打印前316L不锈钢基板预热至200℃，打印出了25mm高的样品。

实验过程及实验结果

由于在打印过程中粉末吸收激光能量而熔化且冷却速度快（104 -106 K/s），液态的CuCrZr会快速凝固。因此，打印后的CuCrZr合金由于存在高密度的位错，样品的导电率较低。为改善合金的综合性能，样品需进行热处理。

与传统铸造CuCrZr合金的热处理不同，打印态（AB）CuCrZr样品中铜基体会形成过饱和固溶体，样品可以不经过固溶处理而直接进行时效处理。热处理在CVD管式炉中进行，通入氮气作为保护气体，防止氧化。该团队研究了五种热处理工艺对性能的影响，其中主要分析500℃ 时效1h下的样品（500DAH_1h），因为在本实验中该条件下制备样品的力学性能最好（UTS：585MPa）。

热处理方法及样品大小

经过500℃时效处理1h后，抗拉强度提高至585MPa，同时，塑性略有提高(总伸长率为14.4%)，性能可与传统加工CuCrZr合金相媲美(ASTM C18150)。当时效时间增加到2h时，抗拉强度下降(569 MPa)，塑性变差(6%)。同时，时效温度升至550℃时，抗拉强度和硬度均低于500DAH_1h试样，但延展性有所提高，延伸率达到20%，这可能是过时效造成的。固溶后的样品（SA）的抗拉强度和硬度均低于AB样品，但塑性大大提高，延伸率达到40%。固溶时效的样品（SAAH）强度增强，伸长率降低。在500℃直接时效1h后，CuCrZr样品的力学性能优于其他热处理的样品。

AB样品具有相对较低的导电率(31% IACS)。经热处理后，样品导电率大大改善。500DAH_1h样品电导率达到64% IACS。提高时效温度或时间后，合金的导电性能会增强，这是因为析出行为与时效温度和时效时间相关。SA样品的导电率和导热率较差(56% IACS)。SAAH样品中，溶解在铜基体中的原子析出，由于晶格畸变程度增加，导电率提高到84% IACS。

不同状态下CuCrZr合金的力学性能、导电率及热导率

研究还讨论了四种强化机制（细晶强化、析出强化、固溶强化和位错强化），其中析出强化是对CuCrZr合金最有效的强化方式。理论计算的屈服强度值与实验结果之间的误差不超过15%，误差原因可能与TEM和SEM图像中的测量误差有关，如统计的晶粒大小、析出相大小等。此外打印后，热处理过的CuCrZr合金中也能找出一些的CuxZry粒子，这些粒子也能起到合金强化的作用。在打印成型过程中，由于熔池冷却凝固具有很高的冷却速率，位错会在晶界处受阻形成位错塞积，随后时效处理过程中Cr原子来不及析出而固溶于铜基体中形成过饱和固溶体以起到强化合金作用，强化效果约占理论上计算屈服强度的60%，而形成的固溶体对合金的强化几乎没有作用。位错密度降低也能对合金起到强化作用，最后对于直接时效处理后合金内部晶粒尺寸变化很小，对强度基本没有影响。

理论计算的屈服强度与实际的屈服强度

热处理对电导率的影响表现为，直接时效后，第二相Cr粒子析出，晶格畸变回复，缺陷减少，电导率增加。随着时效时间增加或时效温度的升高，导电率还会由于声子散射的减少而提高。此外，当Cr固溶于铜基体中，位错减少，晶格畸变减少，因此固溶体样品的电导率要高于原始打印态的电导率。直接时效处理的样品电导率要低于固溶后时效处理的CuCrZr合金。SAAH处理后样品合金内Cr沉淀会对声子散射有阻碍作用，从而降低电导率，与固溶体相比，Cr析出物对电子的散射效应更小。除了热处理，孔隙率对导电性有很大影响，这可以通过不断优化打印工艺参数来改善，从而提高导电性。另外，由于粉末中有铁，硅等杂质的存在，难以制备无缺陷的CuCrZr合金。铁，硅等杂质会降低铜合金的导电率。总之，打印工艺参数与打印后的热处理方式都对导电性有很大影响。

总的来说，本研究通过SLM技术，为制备结构复杂的CuCrZr合金零部件提供了新方法。高强、高塑性、高导电率的打印的CuCrZr合金有待进一步研究。