超音速激光沉積增材制造CNTs/Cu復(fù)合材料微觀結(jié)構(gòu)及力學(xué)性能研究

李波，王豪，蔣超偉，羅準(zhǔn)，張群莉，劉蓉，姚建華*

超音速激光沉積增材制造CNTs/Cu復(fù)合材料微觀結(jié)構(gòu)及力學(xué)性能研究

李波1a,1b，王豪1a,1b，蔣超偉2，羅準(zhǔn)1a,1b，張群莉1a,1b，劉蓉3，姚建華1a,1b*

（1.浙江工業(yè)大學(xué) a.激光先進(jìn)制造研究院，b.機(jī)械工程學(xué)院，杭州 310023；2.國(guó)網(wǎng)寧夏電力有限公司超高壓公司，銀川 750001；3.卡爾頓大學(xué) 機(jī)械和航空工程系，渥太華 KIS 5B6）

研究超音速激光沉積增材制造CNTs/Cu復(fù)合材料的微觀結(jié)構(gòu)及力學(xué)性能。對(duì)CNTs進(jìn)行表面鍍銅處理，提高它與Cu黏接相之間的潤(rùn)濕性，增強(qiáng)CNTs/Cu之間的界面結(jié)合，利用超音速激光沉積技術(shù)（Supersonic Laser Deposition，SLD）增材制備不同CNTs含量的CNTs/Cu復(fù)合材料，對(duì)比研究了CNTs含量和退火溫度對(duì)CNTs/Cu復(fù)合材料微觀結(jié)構(gòu)及力學(xué)性能的影響規(guī)律，并采用能譜儀對(duì)拉伸斷口微區(qū)進(jìn)行元素分析測(cè)定。SLD制備的CNTs/Cu復(fù)合材料具有優(yōu)異的塑性變形能力，而強(qiáng)度較高的CNTs通過(guò)嵌入銅粉顆粒之間的縫隙提升了沉積質(zhì)量。對(duì)復(fù)合材料微觀組織進(jìn)行表征發(fā)現(xiàn)組織無(wú)明顯孔隙、致密性良好，且無(wú)燒蝕現(xiàn)象。CNTs的加入有效提高了CNTs/Cu復(fù)合材料的抗拉性能，并且隨著CNTs含量的上升，CNTs/Cu復(fù)合材料的極限抗拉強(qiáng)度（Ultimate Tensile Strength，UTS）穩(wěn)步上升；當(dāng)CNTs質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.3%時(shí)，CNTs/Cu復(fù)合材料的UTS為36.33 MPa，是CNTs質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.05%時(shí)的1.35倍。隨著退火溫度的升高，CNTs/Cu復(fù)合材料的UTS表現(xiàn)為先增大后減小的趨勢(shì)，在500 ℃時(shí)UTS達(dá)到最大值。由于激光加熱軟化的效果與表面鍍銅的包覆作用，CNTs能夠均勻地分布在CNTs/Cu復(fù)合材料內(nèi)部，同時(shí)明顯增強(qiáng)復(fù)合材料內(nèi)部顆粒的界面結(jié)合強(qiáng)度，后續(xù)的熱處理有助于使材料從不穩(wěn)定的機(jī)械結(jié)合逐步轉(zhuǎn)換為冶金結(jié)合，顯著提高復(fù)合材料的抗拉性能。

CNTs；超音速激光沉積；CNTs/Cu涂層；微觀結(jié)構(gòu)；力學(xué)性能

銅因具備優(yōu)異的延展性、高導(dǎo)電/導(dǎo)熱性能以及良好的塑性加工能力而被廣泛應(yīng)用于機(jī)械制造、電氣輕工、建筑等領(lǐng)域[1-2]。但由于純銅是面心立方的晶體結(jié)構(gòu)，無(wú)同素異構(gòu)形態(tài)的轉(zhuǎn)變，強(qiáng)度不高，硬度較低，限制了其應(yīng)用[3-4]。銅基復(fù)合材料（Copper Matrix Composites，CMCs）是以銅或銅合金為基體，加入其他增強(qiáng)相而制成的金屬基復(fù)合材料，不僅具有銅材料良好的導(dǎo)熱導(dǎo)電性能，還具有增強(qiáng)相優(yōu)異的力學(xué)性能[5-7]。碳納米管（Carbon Nanotubes，CNTs）因其特殊的管狀結(jié)構(gòu)而具有高強(qiáng)度、高導(dǎo)電/導(dǎo)熱性和化學(xué)穩(wěn)定性等優(yōu)良性能，是一種非常理想的增強(qiáng)相材料[8]。

增材制造技術(shù)可實(shí)現(xiàn)復(fù)雜零部件（包括復(fù)雜結(jié)構(gòu)及復(fù)合材料等）的高效制造，被廣泛應(yīng)用于航空航天、生物醫(yī)療、能源動(dòng)力等領(lǐng)域[9]。目前主流的增材制造技術(shù)包括激光增材制造[10]、電弧增材制造[11]、冷噴涂增材制造[12]等。激光及電弧增材制造過(guò)程涉及高溫熔化過(guò)程，因此容易導(dǎo)致Cu基材料發(fā)生氧化相變。此外，Cu對(duì)激光具有高反性，這會(huì)使激光增材制造Cu基材料的效率及質(zhì)量受到不利影響。冷噴涂增材制造技術(shù)是基于材料的塑性變形而實(shí)現(xiàn)沉積的一種固態(tài)成形技術(shù)，在此過(guò)程中不需要將材料熔化，因此特別適合于Cu、Ti、Al等材料的沉積[13-15]，但該技術(shù)主要是通過(guò)機(jī)械咬合來(lái)實(shí)現(xiàn)材料之間的結(jié)合，其結(jié)合強(qiáng)度不如激光及電弧增材制造中的冶金結(jié)合。

超音速激光沉積（Supersonic Laser Deposition，SLD）是基于冷噴涂技術(shù)發(fā)展起來(lái)的一種復(fù)合制造技術(shù)[16]，它是在冷噴涂過(guò)程中利用激光熱源同步軟化沉積粉末和基體，可以在保證冷噴涂低熱輸入的前提下改善傳統(tǒng)冷噴涂沉積效率低和孔隙率高等問(wèn)題。目前，利用該技術(shù)已實(shí)現(xiàn)了Fe基、Ni基、Co基、Ti基、Cu基及其復(fù)合材料涂層的制備[17-24]。但目前尚未有關(guān)于超音速激光沉積增材制造的文獻(xiàn)報(bào)道。因此，本文采用超音速激光沉積技術(shù)增材制備了CNTs/ Cu復(fù)合材料，探究CNTs含量對(duì)CNTs/Cu復(fù)合材料微觀結(jié)構(gòu)及力學(xué)性能的影響關(guān)系，以期為低熱量輸入、高效快速SLD技術(shù)的金屬基復(fù)合材料的增材制造提供理論和技術(shù)支撐。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 材料

實(shí)驗(yàn)所用的基板是1060鋁，尺寸為100 mm× 100 mm×5 mm。實(shí)驗(yàn)前先對(duì)鋁板進(jìn)行噴砂處理，然后放入無(wú)水乙醇中超聲清洗30 min，去除表面油污及噴砂顆粒。采用浙江亞通新材料股份有限公司生產(chǎn)的球形銅粉和南京銳騰合金材料有限公司生產(chǎn)的碳納米管（CNTs）分別作為復(fù)合材料的黏結(jié)相和增強(qiáng)相，粉末微觀形貌如圖1所示。Cu粉的粒徑為5～40 μm，CNTs的管徑為5～10 nm。

1.2 復(fù)合粉末制備

實(shí)驗(yàn)前，對(duì)碳納米管表面進(jìn)行鍍銅處理，以改善碳納米管與銅黏結(jié)相的潤(rùn)濕性，提高界面結(jié)合強(qiáng)度和粉末沉積率。CNTs鍍銅過(guò)程如下：純化→酸化→敏化→活化→鍍銅。整個(gè)鍍銅環(huán)節(jié)在水浴環(huán)境下進(jìn)行，水溫設(shè)置為80 ℃。鍍銅CNTs的微觀形貌如圖2所示。隨后，利用行星球磨機(jī)以低速球磨的方式將不同比例的鍍銅碳納米管與黏結(jié)相銅粉進(jìn)行混合，配比如表1所示，球磨過(guò)程示意圖如圖3所示。球料比為5︰1，在氬氣氛圍下以200 r/min的轉(zhuǎn)速球磨30 min。

圖1 原始粉末微觀形貌

圖2 鍍銅CNTs粉末的TEM

表1 不同配比的CNTs/Cu復(fù)合粉末成分

1.3 增材試樣制備

超音速激光沉積技術(shù)的工作原理如圖4所示，主要由激光系統(tǒng)、冷噴涂系統(tǒng)、高壓氮?dú)夤藓蜋C(jī)械臂組成。從氮?dú)夤蕹鰜?lái)的氣體分為高低壓兩路氣體，一路氣體進(jìn)入送粉器，攜帶沉積粉末進(jìn)入噴腔，另一路氣體進(jìn)入加熱器中被加熱，預(yù)熱后的氣體進(jìn)入噴腔與加速粉末匯合，形成氣固兩相流，經(jīng)Laval噴嘴加速后，以超音速的速度撞擊激光同步照射區(qū)域進(jìn)而實(shí)現(xiàn)材料沉積。在整個(gè)制造過(guò)程中，激光與Laval噴嘴同步運(yùn)動(dòng)，通過(guò)機(jī)械臂設(shè)定的程序?qū)崿F(xiàn)沉積軌跡的規(guī)劃。SLD工藝參數(shù)選用前期優(yōu)化的參數(shù)：氣體壓力3 MPa、激光功率600 W、預(yù)熱溫度500 ℃、掃描速度10 mm/s、噴涂距離30 mm、送粉率2 r/min、搭接間距3 mm。采用多層堆疊的方式增材制備了不同CNTs含量的CNTs/Cu復(fù)合塊體試樣。

1.4 熱處理工藝

采用SG-XL1400高溫箱式爐對(duì)超音速激光沉積增材制造CNTs/Cu復(fù)合材料進(jìn)行熱處理，熱處理溫度設(shè)置為300、400、500、600 ℃，將不同CNTs含量的CNTs/Cu復(fù)合材料樣品放入爐中加熱，設(shè)置升溫速率為20 K/min，在真空條件下保溫1 h后關(guān)閉電源，隨爐冷卻至室溫后取出。

1.5 微觀結(jié)構(gòu)及力學(xué)性能表征

采用德國(guó)蔡司AXIOScope.A1型光學(xué)顯微鏡觀察塊體試樣截面形貌，采用德國(guó)Zeiss ΣIGMA HV-01-043型掃描電子顯微鏡（SEM）觀察復(fù)合粉末形貌、塊體等截面微觀組織以及復(fù)合材料中碳納米管的分布情況和拉伸試樣的斷口形貌。采用德國(guó)Bruker Nano Xflash Detector 5010型能譜儀（EDS）對(duì)復(fù)合材料塊體微觀區(qū)域和拉伸斷口微區(qū)進(jìn)行元素分析測(cè)定。

圖4 超音速激光沉積系統(tǒng)工作示意圖

2 結(jié)果與分析

2.1 CNTs/Cu復(fù)合材料的截面形貌

采用超音速激光沉積技術(shù)增材制造的不同碳納米管含量的CNTs/Cu復(fù)合材料截面形貌如圖5所示。可以看出，盡管復(fù)合材料中鍍銅碳納米管含量不同，但所有試樣均具有較為致密的微觀組織，試樣中無(wú)明顯孔洞。球形黏結(jié)相銅粉發(fā)生了嚴(yán)重塑性變形，呈現(xiàn)出被拉長(zhǎng)的形態(tài)。同時(shí)可以清晰地看到相鄰變形顆粒的邊界，顆粒之間主要依靠機(jī)械互鎖實(shí)現(xiàn)結(jié)合，而強(qiáng)度較高的鍍銅碳納米管則主要通過(guò)嵌入填充相鄰銅顆粒之間的界面縫隙來(lái)實(shí)現(xiàn)沉積。這與文獻(xiàn)[25]報(bào)道的超音速激光沉積WC/SS316L復(fù)合材料的微觀組織相類似。與激光選區(qū)熔化增材制造技術(shù)相比，超音速激光沉積增材制造技術(shù)可以在開(kāi)放環(huán)境下實(shí)現(xiàn)Cu、Al等高反材料以及CNTs、WC、金剛石等熱敏感材料的無(wú)相變沉積[21-26]，這是由于該技術(shù)主要依靠材料塑性變形來(lái)實(shí)現(xiàn)沉積，不涉及材料的高溫熔化過(guò)程，激光的同步輻照可以促進(jìn)材料的沉積效率和界面結(jié)合[21,25]。

圖5 超音速激光沉積制備不同CNTs含量的CNTs/Cu復(fù)合材料截面形貌

2.2 CNTs/Cu復(fù)合材料的界面結(jié)合

為了表征復(fù)合材料中CNTs增強(qiáng)相和Cu黏結(jié)相之間的界面結(jié)合，選取含有0.1%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同）CNTs的復(fù)合材料作為典型進(jìn)行分析。超音速激光沉積制備的0.1%CNTs/Cu復(fù)合材料微觀形貌如圖6所示?？梢钥闯觯技{米管主要分布于相鄰變形銅顆粒之間的縫隙處，起到填充孔隙的作用。同時(shí)，可以觀察到碳納米管結(jié)構(gòu)完整，沒(méi)有出現(xiàn)破碎和燒損的現(xiàn)象。從圖6c還可以看出，CNTs顆粒和Cu顆粒接觸界面處存在Cu元素和C元素的逐漸過(guò)渡區(qū)域，表明兩者之間的界面結(jié)合良好。在本實(shí)驗(yàn)中，CNTs進(jìn)行了表面鍍銅處理，表層的Cu鍍層在高速撞擊沉積過(guò)程中可以起到緩沖層的作用，避免CNTs結(jié)構(gòu)破壞。同時(shí)，在同步激光輻照軟化作用下，CNTs表面的Cu鍍層和Cu黏結(jié)相顆?？梢詫?shí)現(xiàn)劇烈塑性變形，達(dá)到緊密結(jié)合的效果。此外，由于在超音速激光沉積過(guò)程中，激光只是用于加熱軟化沉積材料和基體材料，因此可以避免CNTs在增材沉積過(guò)程中燒損。

2.3 CNTs/Cu復(fù)合材料的力學(xué)性能

為了表征CNTs含量對(duì)超音速激光沉積增材制造CNTs/Cu復(fù)合材料力學(xué)性能的影響，對(duì)所制備的試樣進(jìn)行了拉伸性能測(cè)試，結(jié)果如圖7所示?？梢钥闯?，CNTs的含量對(duì)復(fù)合材料的極限抗拉強(qiáng)度有著較大影響。復(fù)合材料的極限抗拉強(qiáng)度（Ultimate Tensile Strength，UTS）隨著CNTs含量的增加而提高，當(dāng)復(fù)合材料中CNTs的質(zhì)量分?jǐn)?shù)從0.05%提高至0.3%時(shí)，復(fù)合材料的UTS從26.9 MPa升至36.33 MPa，增幅達(dá)到35%。復(fù)合材料UTS的提升主要是由于碳納米管加入后填充在銅顆粒界面縫隙處，起到了強(qiáng)化界面的作用，在受到外加載荷的情況下，高強(qiáng)度的CNTs能夠更好地承載外力，從而使復(fù)合材料展現(xiàn)出較優(yōu)的抗拉性能。然而，復(fù)合材料整體的UTS與塊體銅的UTS相比仍然不高，其原因是在超音速激光沉積過(guò)程中材料的結(jié)合機(jī)制主要是機(jī)械結(jié)合，并非鑄態(tài)Cu的冶金結(jié)合。雖然激光同步輻照能改善復(fù)合材料中顆粒之間的界面結(jié)合，但在相鄰顆粒界面位置仍然會(huì)有因結(jié)合不良而導(dǎo)致的微孔或者縫隙，這些部位會(huì)成為材料的薄弱環(huán)節(jié)，在拉伸測(cè)試過(guò)程中，成為裂紋萌生源并且裂紋不斷擴(kuò)展，使材料強(qiáng)度降低。

圖6 超音速激光沉積增材制造CNTs/Cu復(fù)合材料中CNTs與Cu界面結(jié)合情況

圖7 25 ℃時(shí)超音速激光沉積增材制造CNTs/Cu復(fù)合材料的極限抗拉強(qiáng)度

為了進(jìn)一步分析試樣的拉伸斷裂行為，利用掃描電鏡對(duì)試樣斷裂后的斷口形貌進(jìn)行觀察，結(jié)果如圖8所示?？梢钥闯?，所有試樣的斷口均沒(méi)有呈明顯的韌性斷裂形態(tài)，而是呈現(xiàn)出典型的脆性斷裂形態(tài)。在斷口上可以清晰地看到大量因高速撞擊而發(fā)生劇烈塑性變形的銅顆粒，同時(shí)可以觀察到相鄰顆粒之間存在間隙。清晰的銅顆粒邊界說(shuō)明斷裂裂紋是沿著顆粒間的界面擴(kuò)展的。超音速激光沉積制備的復(fù)合材料界面結(jié)合雖然較單一冷噴涂技術(shù)的有所提升，但其結(jié)合機(jī)制仍然是機(jī)械結(jié)合，顆粒之間仍存在細(xì)微的縫隙，在外部載荷作用下，裂紋還是會(huì)沿著縫隙不斷擴(kuò)展，這會(huì)降低整體的抗拉強(qiáng)度。

2.4 熱處理對(duì)CNTs/Cu復(fù)合材料拉伸性能的影響

后續(xù)熱處理常被用于調(diào)控冷噴涂沉積層的微觀組織和力學(xué)性能[26]，因此，針對(duì)上述復(fù)合材料力學(xué)性能的不足，對(duì)超音速激光沉積增材制造的CNTs/Cu復(fù)合材料進(jìn)行后續(xù)熱處理。選取0.05%CNTs/Cu復(fù)合材料進(jìn)行不同溫度的熱處理，熱處理后的UTS測(cè)試結(jié)果如圖9所示?？梢钥闯?，復(fù)合材料的UTS受退火溫度的影響較大。隨著熱處理溫度從室溫（25 ℃）提高至600 ℃，復(fù)合材料的UTS呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì)，在500 ℃時(shí)UTS達(dá)到最大，為室溫UTS的3.58倍。由文獻(xiàn)[27]可知，后續(xù)熱處理會(huì)誘導(dǎo)冷噴涂沉積層中的變形顆粒發(fā)生回復(fù)再結(jié)晶，加快沉積層內(nèi)的元素?cái)U(kuò)散，消除沉積層內(nèi)的界面孔隙，使顆粒界面實(shí)現(xiàn)冶金結(jié)合，從而提高沉積層的拉伸強(qiáng)度。但隨著熱處理溫度的繼續(xù)提升，沉積層中的微小細(xì)孔會(huì)通過(guò)擴(kuò)散聚集到顆粒邊界處形成較大的孔隙，反而對(duì)復(fù)合材料的力學(xué)性能產(chǎn)生負(fù)面影響[28]，因此，從圖9可以看出，復(fù)合材料的UTS在600 ℃時(shí)出現(xiàn)了下降。

對(duì)比研究了熱處理對(duì)不同CNTs含量的CNTs/Cu復(fù)合材料拉伸性能的影響，600 ℃熱處理后UTS的測(cè)試結(jié)果如圖10所示?？梢钥闯觯?00 ℃的熱處理溫度下，當(dāng)CNTs質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.05%、0.1%、0.2%、0.3%時(shí)，CNTs/Cu復(fù)合材料的UTS分別為86.0、90.8、93.3、100 MPa，均比室溫（25 ℃）時(shí)的UTS值有顯著提升。這表明在相同的熱處理溫度下，隨著CNTs含量的增加，復(fù)合材料的UTS逐漸增大。室溫下復(fù)合材料內(nèi)部以機(jī)械結(jié)合為主，CNTs與銅基體主要以機(jī)械結(jié)合為主，隨著熱處理溫度的提高，復(fù)合材料內(nèi)部顆粒界面彌合，機(jī)械結(jié)合減弱，冶金結(jié)合程度提高，CNTs與銅基體界面結(jié)合增強(qiáng)，CNTs可以有效承載外部載荷，且這種對(duì)拉伸性能的有利作用隨著CNTs含量的提高而增強(qiáng)，因此高CNTs含量的復(fù)合材料具有更高的UTS。

2.5 熱處理對(duì)CNTs/Cu復(fù)合材料斷口形貌的影響

為了進(jìn)一步分析不同熱處理溫度對(duì)增材制造CNTs/ Cu復(fù)合材料拉伸性能的影響，選取0.05%CNTs/Cu復(fù)合材料的斷口形貌為典型，利用SEM進(jìn)行分析，結(jié)果如圖11所示。從圖11a和圖11b可以看到，在未經(jīng)過(guò)熱處理的試樣中，顆粒之間以機(jī)械結(jié)合為主，斷裂形式是典型的脆性斷裂，在斷裂處能看到明顯的孔洞。從圖11b可以看出，雖然斷裂形貌與室溫試樣的很相似，主要是脆性斷裂，但顆粒之間的縫隙明顯減少，這有利于提高復(fù)合材料的拉伸性能。當(dāng)熱處理溫度升高至400 ℃時(shí)，在斷口處已經(jīng)能觀察到部分韌窩的存在，但同時(shí)還存在脆性斷裂的特征，表明該試樣是韌性斷裂和脆性斷裂共存。隨著熱處理溫度達(dá)到500 ℃，從圖11d中可清晰看到大量韌窩的存在，說(shuō)明該試樣主要是以韌性斷裂為主。當(dāng)熱處理溫度達(dá)到600 ℃時(shí)，斷口形貌也是以韌窩為主，但同時(shí)也可以觀察到一些較大孔洞的存在，這會(huì)影響復(fù)合材料的UTS，這與圖9所示的結(jié)果相一致。超音速激光沉積材料由于具有“加工硬化”效應(yīng)，在通常情況下塑性較差，由于后續(xù)熱處理可以通過(guò)再結(jié)晶消除加工硬化，且對(duì)沉積層內(nèi)的孔隙、界面結(jié)合等有改善作用，因此?？捎糜谔嵘练e材料的力學(xué)性能。

對(duì)600 ℃熱處理溫度下不同CNTs含量的試樣斷口形貌進(jìn)行了分析，結(jié)果如圖12所示。可以看出，在此熱處理溫度下，在所有試樣的斷口上均存在大量韌窩，表明所有試樣在拉伸斷裂前都經(jīng)歷了塑性變形階段。值得注意的是，隨著CNTs含量的增加，復(fù)合材料斷口上的孔洞逐漸減少，表明CNTs的添加有利于復(fù)合材料在熱處理過(guò)程中的孔隙閉合，從而有利于提高復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度，這與圖10所示的結(jié)果相一致。為了證實(shí)CNTs在試樣熱處理后斷口上存在，采用EDS對(duì)斷口上隨機(jī)選取的區(qū)域進(jìn)行EDS元素分析，結(jié)果如圖13所示。可以看出，CNTs在復(fù)合材料中以多種形態(tài)存在，經(jīng)過(guò)熱處理后與銅基體相實(shí)現(xiàn)了良好結(jié)合，可對(duì)復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度起到提升作用。

圖8 超音速激光沉積增材制造CNTs/Cu復(fù)合材料的斷口形貌

圖9 超音速激光沉積增材制造0.05%CNTs/Cu復(fù)合材料不同熱處理溫度下的拉伸性能

圖10 超音速激光沉積增材制造CNTs/Cu復(fù)合材料600 ℃熱處理溫度下的拉伸性能

圖11 超音速激光沉積增材制造0.05%CNTs/Cu復(fù)合材料不同退火溫度下的斷口形貌

圖12 不同CNTs含量的CNTs/Cu復(fù)合材料600 ℃退火溫度下的斷口形貌

圖13 斷口處CNTs與銅基體分布情況及元素分布圖

3 結(jié)論

通過(guò)超音速激光沉積技術(shù)（SLD）在鋁基板上增材制備了CNTs/Cu復(fù)合材料，并研究了CNTs含量與熱處理溫度對(duì)CNTs/Cu復(fù)合材料微觀組織和力學(xué)性能的影響，主要結(jié)論如下：

1）通過(guò)利用激光輻照技術(shù)對(duì)基體與粉末進(jìn)行加熱軟化，不僅提高了顆粒的塑性變形能力，使化學(xué)鍍銅后的CNTs與黏結(jié)相Cu緊密結(jié)合，而且避免了CNTs在增材制造過(guò)程中的燒蝕現(xiàn)象。

2）隨著CNTs含量的增加，涂層的UTS穩(wěn)步提高，在CNTs質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.3%時(shí)，CNTs/Cu涂層的UTS為36.33 MPa，為0.05%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）時(shí)的1.35倍，這是因?yàn)楦邚?qiáng)度的碳納米管填充在界面縫隙處，在降低孔隙的同時(shí)強(qiáng)化了抗拉能力。

3）隨著退火溫度的升高，CNTs/Cu復(fù)合材料的UTS表現(xiàn)為先增大后減小，在500 ℃時(shí)UTS達(dá)到最大，為室溫時(shí)的3.58倍。這是因?yàn)楹罄m(xù)熱處理誘導(dǎo)CNTs/Cu復(fù)合材料發(fā)生了回復(fù)再結(jié)晶行為，消除了界面結(jié)合處的孔隙，促進(jìn)了顆粒界面間的冶金結(jié)合，優(yōu)化了CNTs/Cu復(fù)合材料的抗拉性能，斷裂行為從脆性斷裂轉(zhuǎn)換為韌性斷裂。但是過(guò)高的溫度會(huì)使沉積層的微小空洞匯集，對(duì)復(fù)合材料力學(xué)性能產(chǎn)生不利影響。

4）在600 ℃的熱處理溫度下，隨著CNTs含量的增加，CNTs/Cu復(fù)合材料的UTS逐漸增大。這是由于經(jīng)熱處理后，復(fù)合材料界面彌合，冶金結(jié)合程度提高，CNTs與界面結(jié)合增強(qiáng)，而提高CNTs含量有利于提高復(fù)合材料的拉伸性能，并且高含量CNTs的復(fù)合材料在拉伸斷裂行為中表現(xiàn)出更少的空洞。

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Microstructure and Mechanical Properties of CNTs/Cu Composite Additively Manufactured by Supersonic Laser Deposition

LI Bo1a,1b, WANG Hao1a,1b, JIANG Chao-wei2, LUO Zhun1a,1b, ZHANG Qun-li1a,1b, LIU Rong3, YAO Jian-hua1a,1b*

(1. a. Institute of Laser Advanced Manufacturing, b. College of Mechanical Engineering, Zhejiang University of Technology, Hangzhou 310023, China; 2. Ultra-high Voltage Company, State Grid Ningxia Electric Power Co., Ltd., Yinchuan 750001, China; 3. Department of Mechanical and Aerospace Engineering, Carleton University, Ottawa KIS 5B6, Canada)

The work aims to study the microstructure and mechanical properties of CNTs/Cu composite additively manufactured by supersonic laser deposition. Copper coating was plated on the surface of CNTs to improve the wetting with Cu and strengthen the interface bonding between CNTs and Cu. CNTs/Cu composites with different contents of CNTs were fabricated through additive manufacturing by the Supersonic Laser Deposition (SLD). The effects of CNTs content and annealing temperature on the microstructure and mechanical properties of the CNTs/Cu composites were comparatively investigated, and elemental analysis of the fracture surface micro-zone was performed with an energy spectrometer. The CNTs/Cu composite fabricated by SLD exhibited excellent plastic deformation capability. The high-strength CNTs embedded in the gaps between copper powder particles contributed to the improvement of deposition quality. Microstructural characterization revealed no significant porosity or burnout phenomena and good densification of the composite materials. The addition of CNTs effectively enhanced the tensile properties of the CNTs/Cu composites, and the Ultimate Tensile Strength (UTS) of the CNTs/Cu composites steadily increased with the increase in CNTs content. When the CNTs content was 0.3%, the UTS of the CNTs/Cu composites was 36.33 MPa, which was 1.35 times higher than that at 0.05% CNTs content. With the increase in annealing temperature, the UTS of the CNTs/Cu composites showed an initial increase followed by a decrease, reaching a maximum at 500 ℃. In conclusion, the laser-induced softening and copper coating effect enable the homogeneous distribution of CNTs within the CNTs/Cu composites and significantly enhance the interface bonding between particles in the composites. Subsequent heat treatment facilitates the transition from unstable mechanical bonding to metallurgical bonding, leading to a significant improvement in the tensile properties of the composites.

CNTs; supersonic laser deposition; CNTs/Cu coating; microstructure; mechanical property

10.3969/j.issn.1674-6457.2023.011.010

TN249

A

1674-6457(2023)011-0089-11

2023-09-25

2023-09-25

國(guó)家自然科學(xué)基金（52075495）；浙江省自然科學(xué)基金（LY22E050017）；國(guó)網(wǎng)寧夏電力有限公司科技項(xiàng)目（5229CG 200069）

The National Natural Science Foundation of China (52075495); Natural Science Foundation of Zhejiang Province (LY22E050017); Science & Technology Project of State Grid Ningxia Electric Power Co., Ltd.(5229CG200069)

李波, 王豪, 蔣超偉, 等. 超音速激光沉積增材制造CNTs/Cu復(fù)合材料微觀結(jié)構(gòu)及力學(xué)性能研究[J]. 精密成形工程, 2023, 15(11): 89-99.

LI Bo, WANG Hao, JIANG Chao-wei, et al. Microstructure and Mechanical Properties of CNTs/Cu Composite Additively Manufactured by Supersonic Laser Deposition[J]. Journal of Netshape Forming Engineering, 2023, 15(11): 89-99.

通信作者（Corresponding author）

責(zé)任編輯：蔣紅晨