激光選區(qū)熔化成形Cu-Al-Mn-La形狀記憶合金

黨明珠，朱文志，田 健，魏青松，史玉升

（ 華中科技大學材料成形與模具技術(shù)國家重點實驗室，湖北武漢430074 ）

形狀記憶合金（shape memory alloy，SMA）是一系列可通過馬氏體相變及其逆相變呈現(xiàn)出形狀記憶性能的合金[1]，具體相變過程為：在馬氏體狀態(tài)下產(chǎn)生一定的形狀變形，當外界溫度有所升高且高于奧氏體開始相變點As 時會回復為原母相的形狀，特別是有的合金具有雙程形狀記憶效應。 形狀記憶合金不僅具有形狀記憶效應，還具有超彈性和高阻尼特征，是目前廣受關(guān)注的新型功能材料[2]。 目前研究較為深入的形狀記憶合金主要有Ni-Ti 形狀記憶合金、Cu 基形狀記憶合金和Fe 基形狀記憶合金，其中Ni-Ti 合金因良好的機械性能與耐腐蝕性能，已廣泛應用在工業(yè)和醫(yī)療領(lǐng)域中，但其成本高、變形溫度低、延展性差，使其應用擴展速度減慢[3]；相比之下，Cu 基形狀記憶合金成本低， 超彈性性能可等同于Ni-Ti 合金[3-4]，成為功能材料領(lǐng)域又一研究熱點。 Cu-Al-Ni、Cu-Zn-Al、Cu-Al-Mn 為Cu 基形狀記憶合金中研究較多的三類體系， 其中Cu-Al-Ni系合金和Cu-Zn-Al 系合金的冷加工性能差[4]，而當向Cu-Al 二元合金中加入Mn 元素時， 可使合金的變形區(qū)域向低轉(zhuǎn)變溫度范圍擴大，提升了合金的形狀記憶性能和力學形狀記憶性能，并使得合金具有較好的延性[5-6]。 此外，Cu 基形狀記憶合金由于晶粒粗大、各向異性等，適當添加稀土元素不僅可降低合金熔煉過程中氣孔等缺陷的產(chǎn)生， 還可細化晶粒，改善合金內(nèi)部組織，提高合金強度和塑性[7]。

激光選區(qū)熔化 （selective laser melting，SLM）技術(shù)以高能激光束為熱源，將金屬粉末逐層熔化后冷卻凝固堆疊形成所需零件[8]，可實現(xiàn)個性化定制，獲得高致密度、高精度的復雜金屬零件。 在已報道的文獻中，Gustmann 等[9-10]采用SLM 技術(shù)成形了Cu-Al-Ni 系合金，獲得了高致密的樣品，最后Zr 元素的加入提高了合金的相轉(zhuǎn)變溫度，并發(fā)現(xiàn)調(diào)整工藝參數(shù)可控制合金的機械性能和相轉(zhuǎn)變溫度， 表明SLM 成形Cu 基形狀記憶合金具有可行性。 本文以Cu-Al-Mn-La 形狀記憶合金粉末為原材料，研究了SLM 技術(shù)成形獲得合金的致密度、微觀組織和顯微力學性能。

1 試驗部分

1.1 試驗材料

本試驗采用氣霧法制備了Cu-10.2Al-8.5Mn-0.3La（質(zhì)量分數(shù)，%）合金粉末，圖1 是粉末的微觀形貌和粒徑分布。 可見，粉末基本呈球形，表面較平整，粉末粒徑呈正態(tài)分布，平均粒徑為50.9 μm，粉末的流動性好，符合SLM 成形的材料要求。

1.2 試驗設(shè)備與工藝

圖2 是試驗采用的加工設(shè)備，其成形臺面尺寸為140 mm×140 mm，最大輸出功率為500 W，最大掃描速度為5000 mm/s，并采用雙缸送粉、刮刀鋪粉方式。 Cu-Al-Mn-La 合金的成形工藝參數(shù)為：激光功率225 W，掃描速度500 mm/s，層厚0.025 mm，掃描間距0.1 mm，基板預熱溫度150 ℃，成形試樣的致密度超過99%。

檢測階段采用阿基米德排水法測試試樣的致密度，用Mastersizer 3000 激光粒度儀測試粉末的粒度，用JSM-7600F 場發(fā)射電子顯微鏡觀察粉末形貌和塊體的微觀組織，用T1750 型原位納米力學測試系統(tǒng)對試樣進行納米壓痕分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 Cu-Al-Mn-La 合金微觀組織和物相分析

圖3 和圖4 分別是SLM 成形Cu-Al-Mn-La 合金的微觀組織在光鏡和電鏡下的形貌。 如圖3 所示，在光學顯微鏡下可觀察到合金的微觀組織分為細晶區(qū)、過渡區(qū)和等軸晶區(qū)[11]，由于SLM 成形過程中溫度梯度較大且粉末快速熔化凝固，使得成形時在熔敷道的中心和邊界具有不同的冷卻速率而呈現(xiàn)不同的晶粒分布， 熔敷道中心晶粒尺寸最小、邊界尺寸最大，這種晶粒分布與鑄態(tài)中合金的均勻細化粒徑尺寸不同[7]。 此外，SLM 成形時部分氣體未及時逸出， 導致試樣表面存在少量氣孔缺陷。 由圖4可見，合金中元素分布均勻、晶界明顯，晶粒內(nèi)部存在馬氏體結(jié)構(gòu)。

圖5 是SLM 成形Cu-Al-Mn-La 合金的XRD衍射圖， 可見合金的微觀組織為馬氏體相和β1母相。 姚奇[7]在研究中加入0.3%La 的鑄態(tài)合金固溶時效處理后的XRD 分析表明存在少量的β1母相峰，與未添加La 元素的合金相比， 出現(xiàn)了新的馬氏體相和類α 相衍射峰，這兩個峰的出現(xiàn)被認為與富La的析出相有關(guān)， 但本試驗并未出現(xiàn)新的馬氏體峰，合金中母相含量仍較多，表明SLM 成形過程雖然冷卻速度快，但凝固過程中母相轉(zhuǎn)變率較低，可通過固溶時效處理后提高馬氏體含量。

2.2 Cu-Al-Mn-La 合金納米壓痕

試樣經(jīng)機械研磨拋光后，采用納米壓痕技術(shù)分析了SLM 成形Cu-Al-Mn-La 合金的力學性能與微觀結(jié)構(gòu)的關(guān)系。 圖6 是SLM 成形Cu-Al-Mn-La 合金的三條納米壓痕載荷-位移代表曲線， 可見其規(guī)律一致。 經(jīng)過公式推導計算， 試樣的納米硬度為（4.33±0.17） GPa，楊氏模量為（122±8） GPa，達到了預期強度。

3 結(jié)論

本文采用SLM 成形技術(shù)制備了致密度較高的Cu-Al-Mn-La 合金，得到以下結(jié)論：

（1）微觀組織分析可知，與鑄造相比，合金在熔敷道中心至邊界依次分布著細晶區(qū)、過渡區(qū)和等軸晶區(qū)，晶粒內(nèi)部存在馬氏體結(jié)構(gòu)。

（2）物相分析可知，試樣中含有β1母相和馬氏體相，可通過固溶時效后處理提高馬氏體含量。

（3）通過納米壓痕分析可知，試樣的納米硬度為（4.33±0.17） GPa，楊氏模量為（122±8） GPa。