導(dǎo)讀：本文研究了選區(qū)激光熔化對(duì)Cu-Ni-Sn合金組織、變形行為和力學(xué)性能的影響。在快速凝固條件下，觀察到含有分散γ顆粒的等軸柱狀雙峰結(jié)構(gòu)，這有助于消除脆性枝晶組織。獨(dú)特的SLM組織與增加的位錯(cuò)密度提供了優(yōu)越的抗拉強(qiáng)度和延展性組合，遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)鑄造樣品。在制備的SLM材料中，強(qiáng)度貢獻(xiàn)主要來(lái)自晶粒細(xì)化、彌散析出和位錯(cuò)密度的增加。

Cu-15Ni-8Sn合金的快速凝固速率可以有效地消除Sn的偏析，這是傳統(tǒng)鑄造工藝不可避免的。Cu-15Ni-8Sn合金因其優(yōu)異的強(qiáng)度、優(yōu)異的耐磨性，尤其是耐腐蝕性，被認(rèn)為是航空航天、油氣、電子等行業(yè)不可缺少的材料之一。盡管通過(guò)硬化處理Cu基合金可以很容易地獲得超高強(qiáng)度，但由于在熱處理過(guò)程中形成粗晶粒和不連續(xù)析出，很難產(chǎn)生高塑性。斷裂韌性的局限性阻礙了Cu-15Ni-8Sn合金的廣泛應(yīng)用。SLM工藝提供了在材料中實(shí)現(xiàn)強(qiáng)度-延展性協(xié)同的可能性。有報(bào)道稱，與鑄造工藝不同，SLM工藝可以同時(shí)提高/調(diào)節(jié)/修改合金的強(qiáng)度和延性。

為了揭示SLM工藝在金屬材料制備方面的優(yōu)勢(shì)，華南理工大學(xué)研究人員對(duì)SLM工藝制備的Cu-15Ni-8Sn合金的組織和力學(xué)性能進(jìn)行研究，制備了高強(qiáng)度、高延伸率、無(wú)偏析合金。詳細(xì)研究了SLM合金的微觀組織特征，包括晶粒形貌、二次相的大小和分布以及位錯(cuò)組織。通過(guò)應(yīng)變速率跳變?cè)囼?yàn)和不同應(yīng)變速率下的拉伸試驗(yàn)，探討了SLM合金的變形行為。首次系統(tǒng)研究了Cu-15Ni-8Sn合金的應(yīng)變硬化速率、應(yīng)變硬化指數(shù)、應(yīng)變速率敏感性和活化體積。所獲得的變形機(jī)理信息有助于充分了解SLM制得的Cu-15Ni-8Sn的高延展性。相關(guān)研究成果以題“Selective laser melting of Cu–Ni–Sn: A comprehensive study on the microstructure, mechanical properties, and deformation behavior”發(fā)表在International Journal of Plasticity上。

論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.ijplas.2021.102926

與傳統(tǒng)鑄造材料相比，制備的SLM樣品具有更細(xì)的晶粒和析出物，位錯(cuò)密度值顯著增加。由于獨(dú)特的凝固條件和顯微組織，制備的SLM合金完全消除了錫的偏析。結(jié)果表明，采用SLM工藝可以完全消除鑄件缺陷（反偏析和粗枝晶組織）。

圖1所示。鑄態(tài)（a - d）和SLM （e-i）工藝制備樣品的微觀組織：（a） OM和（b） SEM和（c） TEM圖像；（c）沿縱向制備的SLM樣品的OM圖像；（f）沿艙口核心的SEM圖像和（g）沿艙口重疊的制備SLM樣品；（h） SLM樣品沿水平方向的TEM圖像；（d）和（i）分別顯示了CC和SLM樣品中γ相的選定區(qū)域衍射圖案（SADP）。

圖2所示。制備的CC、制備的SLM和變形的SLM樣品的x射線衍射圖

圖3所示。電子背散射衍射圖像顯示了制備的CC和SLM樣品的反極圖（IPF）和圖像質(zhì)量（IQ）圖。在圖例中，黑線表示高角度晶界（HAGBs， >10），紅線表示低角度晶界（LAGBs, 1-10）；（a和d）鑄態(tài)試樣的截面；（b、e） SLM試樣縱斷面（沿建造方向）；（c, f） SLM試樣的水平截面（截面）。

圖4所示。電子背散射衍射（EBSD）結(jié)果表明，晶界在CC （a）、SLM （b）和水平（c）截面中的取向錯(cuò)誤分布；CC樣品（d和e）和SLM樣品（f和g）的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)錯(cuò)誤定向和累積錯(cuò)誤定向，分別沿圖4標(biāo)記的交叉a和交叉b測(cè)量。黑線表示點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的取向差，紅線表示累積取向差。

制備的SLM試樣具有高強(qiáng)度與拉伸延展性相結(jié)合的特點(diǎn)。根據(jù)強(qiáng)化機(jī)理分析，SLM試樣的高強(qiáng)度主要?dú)w因于SLM過(guò)程中的細(xì)化組織（晶粒）、析出相的細(xì)小彌散以及高冷卻速率導(dǎo)致的位錯(cuò)密度值增加。

采用3種應(yīng)變硬化模型評(píng)價(jià)制備的SLM試樣的應(yīng)變硬化能力和指數(shù)。修正的Ludwik關(guān)系為SLM材料提供了最好的預(yù)測(cè)，因?yàn)樵谳^長(zhǎng)的應(yīng)變下，位錯(cuò)存儲(chǔ)和DRV的平衡可以保持，從而使SLM樣品具有較高的拉伸延性。應(yīng)變硬化指數(shù)越高，表明試樣的應(yīng)變硬化能力越強(qiáng)。盡管具有很高的理論延性，但由于外部（空洞）和內(nèi)部缺陷的共同作用，樣品過(guò)早地失敗了。

圖5所示。（a）應(yīng)變率為1.67 × 10-3 s-1條件下，SLM和CC試樣具有代表性的室溫拉伸工程應(yīng)力-應(yīng)變曲線和（b）納米壓痕載荷與深度曲線。

表3 SLM和CC合金的力學(xué)性能綜述。

圖6所示。（a） SLM合金加載-卸載-再加載（LUR）試驗(yàn)的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，（b）應(yīng)變~2%放大曲線。

圖7所示。鑄態(tài)（a-d）和鑄態(tài)（e-j） （e-j）試樣的斷口形貌。（a）斷口，（b） CC試樣縱斷面，（c）水平斷面，（d） （c）中a區(qū)域?qū)?yīng)的更高放大倍數(shù)圖像；（e） SLM試樣的裂隙面，（f）縱斷面（建筑方向），（g）水平斷面（截面）；（h） SLM試樣中裂紋擴(kuò)展路徑的SEM圖像；（h）中B和C區(qū)域?qū)?yīng)的放大倍數(shù)更高的圖像（i）和（j）。

圖8所示。在（a-d）制備和（e-h）變形條件下，SLM樣品的透射電鏡和SADP。γ粒子用黃色虛線標(biāo)出。（b）沿不同區(qū)域軸取SADP: （d） [001] Cu;（h）[011]銅。

圖9所示。SLM試樣力學(xué)性能數(shù)據(jù)。（a）真拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線作為應(yīng)變率的函數(shù)；（b）顯示SRS值分布的插圖；（c）變形應(yīng)變速率為1.67 × 10 3 ~ 1.67 × 10 5 s 1時(shí)，應(yīng)變硬化速率（θ）與真應(yīng)力的關(guān)系；（d）正常化的應(yīng)變硬化率（θ n）與真應(yīng)變的關(guān)系，形變應(yīng)變率為1.67 × 10 5 s1，紅色虛線為理論線，插圖為SLM試樣拉伸變形后斷裂的宏觀圖。

與常規(guī)cu基材料相比，SLM處理的Cu-15Ni-8Sn合金的活化體積（~115 b3）明顯變小。而制備的SLM樣品的SRS值為m = 0.012±0.002，高于其他具有納米微結(jié)構(gòu)的fcc材料。變形動(dòng)力學(xué)參數(shù)表明，位錯(cuò)屏障（包括分散的粒子和位錯(cuò)細(xì)胞）對(duì)制備的SLM樣品的SRS和激活體積的變化有貢獻(xiàn)。

圖10所示。圖解顯示裂紋從孔洞開(kāi)始并沿內(nèi)部缺陷（如晶界）擴(kuò)展。

圖11所示。圖解說(shuō)明在制備的SLM和CC樣品中觀察到的強(qiáng)化機(jī)制。（a） CC和SLM合金的強(qiáng)化貢獻(xiàn)摘要；（b） CC過(guò)程（Guo et al.， 2020）和（c） SLM過(guò)程（Pantawane et al.， 2020）中觀察到的可能熱歷史的示意圖；解釋（d） CC和SLM （e）過(guò)程中微觀結(jié)構(gòu)形成的示意圖。