导读：本文研究了选区激光熔化对Cu-Ni-Sn合金组织、变形行为和力学性能的影响。在快速凝固条件下，观察到含有分散γ颗粒的等轴柱状双峰结构，这有助于消除脆性枝晶组织。独特的SLM组织与增加的位错密度提供了优越的抗拉强度和延展性组合，远高于传统铸造样品。在制备的SLM材料中，强度贡献主要来自晶粒细化、弥散析出和位错密度的增加。

Cu-15Ni-8Sn合金的快速凝固速率可以有效地消除Sn的偏析，这是传统铸造工艺不可避免的。Cu-15Ni-8Sn合金因其优异的强度、优异的耐磨性，尤其是耐腐蚀性，被认为是航空航天、油气、电子等行业不可缺少的材料之一。尽管通过硬化处理Cu基合金可以很容易地获得超高强度，但由于在热处理过程中形成粗晶粒和不连续析出，很难产生高塑性。断裂韧性的局限性阻碍了Cu-15Ni-8Sn合金的广泛应用。SLM工艺提供了在材料中实现强度-延展性协同的可能性。有报道称，与铸造工艺不同，SLM工艺可以同时提高/调节/修改合金的强度和延性。

为了揭示SLM工艺在金属材料制备方面的优势，华南理工大学研究人员对SLM工艺制备的Cu-15Ni-8Sn合金的组织和力学性能进行研究，制备了高强度、高延伸率、无偏析合金。详细研究了SLM合金的微观组织特征，包括晶粒形貌、二次相的大小和分布以及位错组织。通过应变速率跳变试验和不同应变速率下的拉伸试验，探讨了SLM合金的变形行为。首次系统研究了Cu-15Ni-8Sn合金的应变硬化速率、应变硬化指数、应变速率敏感性和活化体积。所获得的变形机理信息有助于充分了解SLM制得的Cu-15Ni-8Sn的高延展性。相关研究成果以题“Selective laser melting of Cu–Ni–Sn: A comprehensive study on the microstructure, mechanical properties, and deformation behavior”发表在International Journal of Plasticity上。

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.ijplas.2021.102926

与传统铸造材料相比，制备的SLM样品具有更细的晶粒和析出物，位错密度值显著增加。由于独特的凝固条件和显微组织，制备的SLM合金完全消除了锡的偏析。结果表明，采用SLM工艺可以完全消除铸件缺陷（反偏析和粗枝晶组织）。

图1所示。铸态（a - d）和SLM （e-i）工艺制备样品的微观组织：（a） OM和（b） SEM和（c） TEM图像；（c）沿纵向制备的SLM样品的OM图像；（f）沿舱口核心的SEM图像和（g）沿舱口重叠的制备SLM样品；（h） SLM样品沿水平方向的TEM图像；（d）和（i）分别显示了CC和SLM样品中γ相的选定区域衍射图案（SADP）。

图2所示。制备的CC、制备的SLM和变形的SLM样品的x射线衍射图

图3所示。电子背散射衍射图像显示了制备的CC和SLM样品的反极图（IPF）和图像质量（IQ）图。在图例中，黑线表示高角度晶界（HAGBs， >10），红线表示低角度晶界（LAGBs, 1-10）；（a和d）铸态试样的截面；（b、e） SLM试样纵断面（沿建造方向）；（c, f） SLM试样的水平截面（截面）。

图4所示。电子背散射衍射（EBSD）结果表明，晶界在CC （a）、SLM （b）和水平（c）截面中的取向错误分布；CC样品（d和e）和SLM样品（f和g）的点对点错误定向和累积错误定向，分别沿图4标记的交叉a和交叉b测量。黑线表示点对点的取向差，红线表示累积取向差。

制备的SLM试样具有高强度与拉伸延展性相结合的特点。根据强化机理分析，SLM试样的高强度主要归因于SLM过程中的细化组织（晶粒）、析出相的细小弥散以及高冷却速率导致的位错密度值增加。

采用3种应变硬化模型评价制备的SLM试样的应变硬化能力和指数。修正的Ludwik关系为SLM材料提供了最好的预测，因为在较长的应变下，位错存储和DRV的平衡可以保持，从而使SLM样品具有较高的拉伸延性。应变硬化指数越高，表明试样的应变硬化能力越强。尽管具有很高的理论延性，但由于外部（空洞）和内部缺陷的共同作用，样品过早地失败了。

图5所示。（a）应变率为1.67 × 10-3 s-1条件下，SLM和CC试样具有代表性的室温拉伸工程应力-应变曲线和（b）纳米压痕载荷与深度曲线。

表3 SLM和CC合金的力学性能综述。

图6所示。（a） SLM合金加载-卸载-再加载（LUR）试验的应力-应变曲线，（b）应变~2%放大曲线。

图7所示。铸态（a-d）和铸态（e-j） （e-j）试样的断口形貌。（a）断口，（b） CC试样纵断面，（c）水平断面，（d） （c）中a区域对应的更高放大倍数图像；（e） SLM试样的裂隙面，（f）纵断面（建筑方向），（g）水平断面（截面）；（h） SLM试样中裂纹扩展路径的SEM图像；（h）中B和C区域对应的放大倍数更高的图像（i）和（j）。

图8所示。在（a-d）制备和（e-h）变形条件下，SLM样品的透射电镜和SADP。γ粒子用黄色虚线标出。（b）沿不同区域轴取SADP: （d） [001] Cu;（h）[011]铜。

图9所示。SLM试样力学性能数据。（a）真拉伸应力-应变曲线作为应变率的函数；（b）显示SRS值分布的插图；（c）变形应变速率为1.67 × 10 3 ~ 1.67 × 10 5 s 1时，应变硬化速率（θ）与真应力的关系；（d）正常化的应变硬化率（θ n）与真应变的关系，形变应变率为1.67 × 10 5 s1，红色虚线为理论线，插图为SLM试样拉伸变形后断裂的宏观图。

与常规cu基材料相比，SLM处理的Cu-15Ni-8Sn合金的活化体积（~115 b3）明显变小。而制备的SLM样品的SRS值为m = 0.012±0.002，高于其他具有纳米微结构的fcc材料。变形动力学参数表明，位错屏障（包括分散的粒子和位错细胞）对制备的SLM样品的SRS和激活体积的变化有贡献。

图10所示。图解显示裂纹从孔洞开始并沿内部缺陷（如晶界）扩展。

图11所示。图解说明在制备的SLM和CC样品中观察到的强化机制。（a） CC和SLM合金的强化贡献摘要；（b） CC过程（Guo et al.， 2020）和（c） SLM过程（Pantawane et al.， 2020）中观察到的可能热历史的示意图；解释（d） CC和SLM （e）过程中微观结构形成的示意图。