導讀：本文研究了選區激光熔化對Cu-Ni-Sn合金組織、變形行為和力學性能的影響。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構，這有助于消除脆性枝晶組織。獨特的SLM組織與增加的位錯密度提供了優越的抗拉強度和延展性組合，遠高于傳統鑄造樣品。在制備的SLM材料中，強度貢獻主要來自晶粒細化、彌散析出和位錯密度的增加。

Cu-15Ni-8Sn合金的快速凝固速率可以有效地消除Sn的偏析，這是傳統鑄造工藝不可避免的。Cu-15Ni-8Sn合金因其優異的強度、優異的耐磨性，尤其是耐腐蝕性，被認為是航空航天、油氣、電子等行業不可缺少的材料之一。盡管通過硬化處理Cu基合金可以很容易地獲得超高強度，但由于在熱處理過程中形成粗晶粒和不連續析出，很難產生高塑性。斷裂韌性的局限性阻礙了Cu-15Ni-8Sn合金的廣泛應用。SLM工藝提供了在材料中實現強度-延展性協同的可能性。有報道稱，與鑄造工藝不同，SLM工藝可以同時提高/調節/修改合金的強度和延性。

為了揭示SLM工藝在金屬材料制備方面的優勢，華南理工大學研究人員對SLM工藝制備的Cu-15Ni-8Sn合金的組織和力學性能進行研究，制備了高強度、高延伸率、無偏析合金。詳細研究了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組織。通過應變速率跳變試驗和不同應變速率下的拉伸試驗，探討了SLM合金的變形行為。首次系統研究了Cu-15Ni-8Sn合金的應變硬化速率、應變硬化指數、應變速率敏感性和活化體積。所獲得的變形機理信息有助于充分了解SLM制得的Cu-15Ni-8Sn的高延展性。相關研究成果以題“Selective laser melting of Cu–Ni–Sn: A comprehensive study on the microstructure, mechanical properties, and deformation behavior”發表在International Journal of Plasticity上。

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

與傳統鑄造材料相比，制備的SLM樣品具有更細的晶粒和析出物，位錯密度值顯著增加。由于獨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（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）結果表明，晶界在CC （a）、SLM （b）和水平（c）截面中的取向錯誤分布；CC樣品（d和e）和SLM樣品（f和g）的點對點錯誤定向和累積錯誤定向，分別沿圖4標記的交叉a和交叉b測量。黑線表示點對點的取向差，紅線表示累積取向差。

制備的SLM試樣具有高強度與拉伸延展性相結合的特點。根據強化機理分析，SLM試樣的高強度主要歸因于SLM過程中的細化組織（晶粒）、析出相的細小彌散以及高冷卻速率導致的位錯密度值增加。

采用3種應變硬化模型評價制備的SLM試樣的應變硬化能力和指數。修正的Ludwik關系為SLM材料提供了最好的預測，因為在較長的應變下，位錯存儲和DRV的平衡可以保持，從而使SLM樣品具有較高的拉伸延性。應變硬化指數越高，表明試樣的應變硬化能力越強。盡管具有很高的理論延性，但由于外部（空洞）和內部缺陷的共同作用，樣品過早地失敗了。

圖5所示。（a）應變率為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力-應變曲線和（b）納米壓痕載荷與深度曲線。

表3 SLM和CC合金的力學性能綜述。

圖6所示。（a） SLM合金加載-卸載-再加載（LUR）試驗的應力-應變曲線，（b）應變~2%放大曲線。

圖7所示。鑄態（a-d）和鑄態（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區域對應的更高放大倍數圖像；（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試樣中裂紋擴展路徑的SEM圖像；（h）中B和C區域對應的放大倍數更高的圖像（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粒子用黃色虛線標出。（b）沿不同區域軸取SADP: （d） [001] Cu;（h）[011]銅。

圖9所示。SLM試樣力學性能數據。（a）真拉伸應力-應變曲線作為應變率的函數；（b）顯示SRS值分布的插圖；（c）變形應變速率為1.67 × 10 3 ~ 1.67 × 10 5 s 1時，應變硬化速率（θ）與真應力的關系；（d）正常化的應變硬化率（θ n）與真應變的關系，形變應變率為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構的fcc材料。變形動力學參數表明，位錯屏障（包括分散的粒子和位錯細胞）對制備的SLM樣品的SRS和激活體積的變化有貢獻。

圖10所示。圖解顯示裂紋從孔洞開始并沿內部缺陷（如晶界）擴展。

圖11所示。圖解說明在制備的SLM和CC樣品中觀察到的強化機制。（a） CC和SLM合金的強化貢獻摘要；（b） CC過程（Guo et al.， 2020）和（c） SLM過程（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）過程中微觀結構形成的示意圖。