导读

铜铬锆合金是一种沉淀强化铜合金，该合金在时效处理后可以通过析出颗粒进行强化。因其优异的导电性和良好的机械强度广泛应用于电子材料领域。近年来，由于对复杂结构铜件的需求有所增加，传统制造加工工艺在制造复杂形状部件方面面临着很大的挑战。激光粉末床熔合(Laser powder bed fusion, LPBF)是一种利用高能激光束将金属粉末熔化在每层相应位置，逐层叠加制造三维固体零件的新兴技术。与传统制造加工技术相比，该技术具有能够制造复杂几何形状零件的独特优势。因此，将LPBF技术应用于复杂结构铜合金零件的制造受到了广泛的关注。然而，现有的关于Cu-Cr-Zr合金的研究大多集中在力学性能的表征上，研究合金导电性调控的报道较少。近日，暨南大学先进耐磨蚀及功能材料研究院周吉强、佟鑫、王小健等人为揭示铜合金热处理工艺对机械性能和导电性调控的内在机理。首先通过L-PBF工艺优化确定较优的CuCrZr合金成型工艺参数，并对成型样品做了系统的热处理研究，表征和测试了CuCrZr合金在不同热处理条件下的显微组织、显微硬度、拉伸力学性能和导电性。相关研究以“Effect of heat treatments on microstructure, mechanical and electrical properties of Cu–Cr–Zr alloy manufactured by laser powder bed fusion”为题，发表在《Materials Chemistry and Physics》上。

研究要点

1、CuCrZr合金LPBF成型工艺优化

通过调节工艺参数，对铜合金打印参数进行筛选优化，对成型试样相对密度结果进行统计，结果表明，所有试样相对密度均大于98.4%。最终优选出激光功率370W，扫描速度800mm/s，扫描间距90μm，铺粉层厚30μm作为试验样品的制备工艺，在此工艺组合下成型样品的相对密度为99.26±0.05%，根据样品的横纵截面金相图，可以看出几乎没有孔洞等缺陷的存在。

图1 (a)不同工艺参数下样品的相对密度(相对于Cu-Cr-Zr密度为8.95 g cm⁻³)，(b) XOY构筑面OM图像，(c) XOZ构筑面OM图像

2、LPBF成型CuCrZr合金的显微结构表征根据对不同截面的显微结构分析，表明在XOY平面具有更加明显的择优取向。而在XOZ平面没有观察到晶粒的择优取向，除了晶粒取向不同外，不同平面上的晶粒形态也不同。在XOY平面上观察到大量的拉长晶粒，一些较小的晶粒位于熔体轨迹中心，晶粒在熔体轨迹边界处发生弯曲。而在XOZ面上可以发现大量沿成形方向伸长的晶粒通过对比IPF图中并没有观察到明显的熔池形貌，说明熔池内外的晶体学取向没有明显变化。

图2 不同截面的典型EBSD结果:(a) BD (XOY平面)，(b) TD (XOZ平面)

图3 LPBF Cu-Cr-Zr合金的显微组织分析:(a) XOY面晶粒特征，(b、 c) 两个不同形貌区域(标记为a和b)， (d)纳米析出相和位错，(e) XOZ面晶粒特征，(f)熔池晶粒生长特征，(g ~ h)晶粒外延生长

3、Cu-Cr-Zr合金热处理前后组织的比较

通过观察热处理前后的显微组织变化，在XOZ平面可观察到熔池形貌，SA处理后的熔池形貌轨迹消失，且晶粒边界存在大量球状析出相，通过对析出相进行表征，球状析出相主要成分为纯Cr，主要在晶粒边界处密集分布。

图4 LPBF热处理前和热处理后的显微形貌(ST-950◦C-30min, DA-475◦C-2h，和DA-600◦C-2h)

图5 ST-950◦C-30min样品EDS分析 (a) XOY平面和(b) XOZ平面

4、机械性能和导电率随着时效温度的升高，合金的抗拉强度先增大后减小，在DA-475◦C-2h(519.3±3.5 MPa)处达到最大值，XOY平面与XOZ平面试样的显微硬度值没有明显差异。不同建筑平面热处理后试样显微硬度的变化与抗拉强度的变化基本一致。与其他报道的合金的力学性能和电导率相比，目前的Cu-Cr-Zr合金(DA- 475◦C-2h)表现出优异的力学性能和电导率组合(高屈服强度和高电导率)。结果显示，经过时效处理后，Cu-Cr-Zr合金的力学性能和电导率均有显著提高。

图6 热处理前后的应力-应变曲线

图7 热处理前后拉伸力学性能及显微硬度变化。

图8 直接时效处理对LPBF Cu-Cr-Zr合金电导率的影响

5.强化机理Cu-Cr-Zr合金是一种沉淀强化合金。时效处理使固溶体原子(Cr)在纳米尺度上析出。时效温度越高，固溶原子(Cr)析出越充分，固溶强化、位错强化和晶界强化对合金的强化有一定的作用。不同热处理工艺后，计算屈服强度与实测屈服强度一致，在DA-475◦C-2h和DA-600◦C-2h样品中，主要的强化机制是沉淀强化，分别占总强化的89.6%和82.4%。DA-475◦C-2h与DA-600◦C-2h之间强度值的显著差异主要是由沉淀强化控制的。

图9  LPBF Cu-Cr-Zr合金KAM分析 (a, b) XOY面，(c, d) XOZ面

图10 Cu-Cr-Zr合金理论屈服强度与实测屈服强度比较图

总结：
该研究通过优化工艺参数获得致密度较高的铜合金成型试样，通过时效处理显著提高Cu-Cr-Zr合金的力学性能和电导率，通过强化机理分析，表明，富cr相的析出是提高合金机械强度和电导率的主要原因。本工作的开展能够为当前铜合金性能研究提供实质性的参考价值。

原文信息：

ZHOU J, HUANG Y, LI Z, et al. Effect of heat treatments on microstructure, mechanical and electrical properties of Cu–Cr–Zr alloy manufactured by laser powder bed fusion [J]. Materials Chemistry and Physics, 2023, 296: 127249.

原文链接：

https://doi.org/10.1016/j.matchemphys.2022.127249