选择性激光熔化Cu-15Sn合金在激光冲击强化处理过程中的微观结构演变及强化机制

《Materials Characterization》：The microstructural evolution and strengthening mechanisms of selective laser melted Cu 15Sn alloy processed by laser shock peening

激光冲击强化（LSP）可有效改善选择性激光熔化（SLM）制备的高锡青铜（Cu-Sn）的力学性能，通过将有害拉应力（178.9±15.5 MPa）转化为有益压应力（-117.0±9.2 MPa），并提升表面硬度至237.0 HV。LSP通过诱导高应变率塑性变形，促使晶粒细化、低角度晶界比例增加及δ-Cu4.1Sn1.1相与纳米氧化物三维网络的形成实现强化。而传统热处理（HT）虽能均质化组织，却导致晶粒粗化并降低硬度（25.6%）。研究建立了SLM-Cu-Sn合金的加工-组织-性能关联机制，证实LSP作为新型后处理技术可同步提升强度与疲劳性能，为高性能青铜部件开发奠定基础。

　　

作者：毛中发、赵斌、曹小蝶、季秀琳、吴家军

中国汕头大学工程学院，教育部智能制造技术重点实验室，邮编515063

摘要

铜锡（Cu-Sn）合金在各种工业应用中广泛使用。然而，对高性能材料的需求不断增加，推动了先进制造技术的发展，以提升其性能。本研究采用激光冲击强化（LSP）技术来调整选择性激光熔化（SLM）Cu-Sn青铜的微观结构和力学性能，并将其与传统热处理（HT）进行了比较。与传统的退火处理相比，LSP将有害的拉应力（178.9 ± 15.5 MPa）转化为有益的压应力（-117.0 ± 9.2 MPa），同时将表面硬度从215.1 HV提高到237.0 HV。电子背散射衍射（EBSD）和透射电子显微镜（TEM）分析表明，强化机制源于晶粒细化、低角度晶界比例从41.6%增加到44.5%，以及形成了由纳米级氧化物装饰的δ-Cu??Sn??金属间化合物的三维网络。相比之下，退火处理虽然使微观结构均匀化，但导致晶粒粗化，硬度降低了25.6%。这些发现为SLM Cu-Sn合金的加工-结构-性能关系提供了明确依据，证明了LSP是一种既能增强强度又能提高疲劳抗力的有效后处理方法，为高性能青铜部件的研发奠定了坚实基础。

引言

铜锡（Cu-Sn）合金标志着青铜时代的开端，在人类最早的冶金成就中具有重要的历史意义。与纯铜相比，这些合金具有更优的力学性能、更好的耐腐蚀性和耐磨性，以及良好的电导率和热导率[1][2][3]。因此，它们被广泛应用于电子设备、制造业、船舶部件和航空航天工程等领域[4][5][6][7]。然而，日益严格的工业要求常常使传统的Cu-Sn合金面临超出其性能极限的使用条件。为应对这一挑战，需要探索新的制造和后处理方法来提升其综合性能。 增材制造（AM），特别是选择性激光熔化（SLM），已成为生产复杂金属部件的变革性技术[8][9][10]。与传统减材方法不同，SLM可以直接从数字模型逐层制造零件，具有高材料利用率、几何自由度和工艺简化等优点[11][12][13]。这种潜力也延伸到了铜合金领域。例如，毛等人[14]证明SLM可以制造出接近全密度的Cu-Sn15样品，其力学性能显著优于传统铸造的QSn15-1-1（GB/T 5231-2012）。同样，李等人[15]通过电子束AM制备了具有良好成型性、高相对密度和导电性的Cu-Cr-Zr合金。陈等人[16]利用冷喷涂AM制备了具有优异强度和延展性的纯铜，而余等人[17]通过激光AM制备了结构稳定的CuCr30合金，提高了强度、伸长率和导电性。尽管如此，SLM仍面临一些固有挑战，包括高制造成本、材料限制、频繁需要支撑结构以及工艺引起的缺陷[19][20][21]。SLM特有的快速凝固和陡峭的温度梯度会在零件表面产生有害的拉应力，从而严重降低力学性能和服务寿命[22]。 因此，后处理对于弥补这些缺点并充分发挥SLM零件的潜力至关重要。热处理（HT）是一种成熟的调节微观结构和提升性能的技术。王等人[23]报告称，在T6热处理后，SLM制造的Al-Zn-Mg-Cu合金中的η相溶解，硬度显著提高（219 ± 4 HV?.??）。沈等人[24]表明，退火处理显著改善了线弧增材制造的镍铝青铜（NAB）的微观结构和力学性能，并降低了各向异性，最佳退火温度为650°C；马等人[25]通过一种新型淬火-时效-退火工艺进一步细化了NAB的微观结构，实现了超过1000 MPa的拉伸强度和超过800 MPa的屈服强度，同时保持了约8%的延展性。相比之下，激光冲击强化（LSP）这种强大的后处理技术可以在金属表面产生等离子体冲击波，导致高应变率塑性变形而无需大量热输入，从而显著提高疲劳寿命和耐腐蚀性。LSP的这些优点已在多种材料系统中得到验证，包括15-5PH不锈钢[26]、Ti6Al4V[27][28]、Cu-Sn合金[29]、TiC/Inconel 625纳米复合材料[30]以及Rene-80等镍基超合金[30]，它能有效引入压应力并细化微观结构[31][32]。 总之，尽管LSP已用于改善增材制造合金的性能，但其在高锡含量Cu-Sn合金中的应用及其作用机制尚未得到充分研究。最近的研究主要集中在LSP对增材制造涂层缺陷修复和耐腐蚀性提升的影响（例如，唐等人对激光沉积Cu-Sn涂层的研究[29]）。然而，目前仍缺乏对LSP对整体SLM Cu-Sn合金演变（尤其是非平衡相如δ相）影响的系统理解。此外，尽管传统HT是SLM零件的常用后处理技术，但HT与LSP（代表根本不同的处理方式，即体积处理与表面处理）之间的比较研究非常有限，尤其是在对同一SLM材料微观结构的影响方面。因此，本研究旨在系统探讨LSP对整体SLM制造的含锡Cu-Sn15合金微观结构演变和强化机制的影响，并将其结果与传统HT在相同初始SLM微观结构下的效果进行直接比较。这项工作不仅填补了关于LSP处理后的整体SLM高锡青铜的关键知识空白，还为根据特定使用要求选择最佳后处理策略提供了宝贵的见解。

材料制备与后处理

本研究使用的原材料是由SNDVARY（无锡SNDVARY新型粉末材料技术有限公司）提供的预合金化Cu-Sn15粉末。原材料的化学成分见表1。粉末的形态通过扫描电子显微镜（SEM）进行观察，结果如图1(a)所示。粉末呈球形，平均粒径为33 μm，粒径分布范围为23至53 μm。图1(b)进一步展示了粉末的细节。

表面粗糙度

LSP通过激光产生的冲击波在SLM制造的Cu-Sn15样品表面引发塑性变形[33]。表2显示了LSP处理前后抛光样品的表面粗糙度。退火处理对表面粗糙度影响不大，但LSP处理后表面粗糙度从0.04 μm显著增加到1.59 μm。LSP处理前，样品表面使用羊毛抛光布和金刚石抛光膏进行了机械抛光。

结论

本研究系统探讨了激光冲击强化（LSP）对选择性激光熔化（SLM）制造的高锡含量Cu-Sn合金微观结构和力学性能的影响，并将其与在相同初始微观条件下的热处理（HT）样品进行了直接比较。主要结论如下： - LSP有效地将SLM样品中的拉应力（178.9 ± 15.5 MPa）转化为压应力。

CRediT作者贡献声明

- 毛中发：撰写初稿、方法设计、实验研究、数据分析、概念构建。 - 赵斌：撰写初稿、软件开发、实验研究、数据分析、概念构建。 - 曹小蝶：结果验证、监督、概念构建。 - 季秀琳：撰写与编辑、结果验证、监督。 - 吴家军：撰写与编辑、数据可视化、结果验证、监督。

利益冲突声明

作者声明不存在可能影响本文工作的已知财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了“研究生联合培训项目”（2023FCXM013）、汕头大学“科学研究基金”（NTF18020）以及广东省“基础与应用基础研究基金”（2024A1515011011、2024A1515010125）的支持。