铜锡合金的选择性激光熔化成形工艺及性能研究

摘要

铜锡合金作为历史最悠久的传统合金，拥有良好的机械性能、优异的耐磨和抗腐蚀性能、优良的导电导热性能，已经被广泛应用在电子、机械、航空航天、国防、航海等工业领域。随着工业技术的发展，传统铜锡合金产品性能已难以满足新兴产业和国家重大工程要求。选择性激光熔化技术（Selective Laser Melting， SLM）作为增材制造技术的一种，因其市场响应速度快、设计自由度开放、材料利用率高、成形效率高、能成形高度复杂形状且综合性能优异的零件等优点而备受关注，为开发出高端铜锡合金产品提供了可能。因此，本论文开展了铜锡合金SLM 成形工艺及性能研究。研究内容主要包括结合拉丁方及响应曲面设计试验方法对SLM成形铜锡合金致密度及表面粗糙度工艺参数进行了优化与分析，同时对SLM 成形铜锡合金材料的物相成分、微观组织演变、力学性能、摩擦性能以及热处理工艺展开了详细分析与讨论，取得了一些重要研究成果。具体如下： （1）对比研究了不同锡含量铜锡合金Cu-4Sn和Cu-15Sn的SLM成形性能。发现锡含量对铜锡合金SLM成形致密度影响较大。锡含量越高，铜锡合金材料的激光吸收率越高、热导率越低。在同样的工艺优化条件下，Cu-4Sn 工艺参数激光功率为190 W，扫描速度为150 mm/s，扫描间距为100μm时得到最优致密度93.68%；Cu-15Sn工艺参数激光功率为187 W，扫描速度为185 mm/s，扫描间距为170μm时得到最优致密度达99.8%。同时发现，对于具有高导热率的铜锡合金，激光功率对其致密度影响高度显著。 （2）针对Cu-15Sn在SLM成形过程中表面质量普遍较差且表面质量不一致等问题，本文系统研究了工艺参数对样件顶面、上表面及下表面粗糙度的影响。对于顶面，为获得较优的SLM成形表面质量，提出优先调整激光功率可以获得一个较大的扫描速度和扫描间距工艺窗口，然后选择合适的扫描间距以保证相邻单道间的粉末充分熔化，最后根据成形效率及性能需求优化扫描速度；对于上下表面，成形角度形成的阶梯效应对表面质量影响最为显著。研究发现，通过提高激光功率以提高熔池流动性可以有效缓解阶梯效应对上表面成形质量带来的影响；通过提高扫描速度可以改善下表面粘粉和球化现象对成形质量带来的影响。 （3）基于X射线及电子衍射技术，本文对SLM成形的Cu-15Sn物相成分及其结构特征进行了表征与分析；同时对微观组织及其在SLM成形过程中的演变规律、晶体缺陷进行分析与讨论。发现SLM能显著细化Cu-15Sn微观组织，并能降低其宏观偏析程度；在垂直生长方向上 Cu-15Sn 形成了特有的外延生长柱状晶，而在顶面则形成了树枝晶和胞状晶；由于快速凝固对包晶转变的抑制作用，形成了以δ硬脆相包裹α相的壳体结构；同时在Cu-15Sn中发现了大量的位错塞积、孪晶等晶体缺陷，证明了在SLM成形Cu-15Sn过程中较大热应力的产生。 （4）研究了SLM成形Cu-15Sn材料的宏观和微观织构，并对其拉伸性能、硬度以及摩擦性能进行了测量与分析。试验发现SLM成形的Cu-15Sn的抗拉强度约为661 MPa，屈服强度约为436 MPa，相比传统拉拔样件QSn15-1-1的强度提升了约50%，而延伸率水平则相当；维氏硬度达212 HV，相比传统样件的硬度（约150 HV）也有了较大提升；同时发现SLM成形的Cu-15Sn摩擦性能良好，其摩擦系数随着滑动速度的增大呈现出先减小后增大的变化趋势。 （5）研究了不同热处理工艺对SLM成形Cu-15Sn样件的相成分、微观组织、力学性能以及摩擦性能的影响。发现退火热处理后的SLM成形Cu-15Sn样件的组织更均匀化，但晶粒明显粗化；其强化机制从细晶强化转变为固溶强化，抗拉强度降低为约545 MPa、屈服强度降低为约328 MPa，仍然优于传统拉拔样件机械性能（抗拉强度约为444 MPa，屈服强度为256 MPa）；塑性性能得到了大幅度提升，延伸率从约7%提升到20%以上；硬度有所下降，仅为160-173 HV，摩擦性能受到一定影响。综上所述，退火热处理能提高SLM成形Cu-15Sn铜锡合金的综合性能。

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