AM易道导语：
在增材制造领域，铜合金一直是一个难啃的硬骨头。
近日，印度国家理工学院卡纳塔克分校的研究团队在期刊《Progress in Additive Manufacturing》上发表了一项研究成果，提出了一种创新的激光定向能量沉积（LP-DED）工艺来制造CuCrZr合金部件。
从火箭喷嘴到涡轮叶片，高性能铜合金在航空航天领域扮演着不可或缺的角色。
然而，铜合金对激光的低吸收率（仅23.26%）和高导热性一直是增材制造过程中的两大技术瓶颈。
正如论文所言，这些特性导致熔池极不稳定，常常出现"焊珠"现象，严重影响成形质量。
让我们先来看看研究团队是如何应对这些挑战的。
新工艺的破局之路
通过UV-Vis-NIR光谱分析（如图1c所示），研究人员总结了CuCrZr粉末在不同波长下的激光吸收特性。
本文用的DED系统配备了连续Nd:YAG固态激光器，工作波长为1070nm。
比起绿光的吸收率，在1070nm波长的激光源下 ，材料的吸收率仅为23.26% 。
研究团队采用了气体雾化法制备的球形CuCrZr粉末（如图1a所示），粒度分布呈高斯分布，平均粒径为64±3微米（如图1b所示）。
AM易道认为，这项研究最大的创新点在于提出了"递增激光能量输入"的工艺策略。
与传统的恒定能量输入方式不同，研究团队采用了"低功率起步、高功率延续"的方案：
在最初三层使用200W的激光功率，随后提升至1000W。
这种独特的工艺路线有效解决了铜合金在增材制造过程中的"高反射、低吸收"难题。
工艺优化的关键突破
在解决铜合金增材制造难题的过程中，研究团队采取了一种循序渐进的研究策略，从单道扫描到多层沉积，最终实现了高质量整体件的制造。
首先，研究团队通过系统的单道扫描实验构建了工艺参数与成形质量的关系模型。
如图3所示的横截面金相照片展示了不同工艺参数组合下熔池的形貌特征。
在低功率（200W）条件下，熔道连续性好，几乎没有缺陷；而高功率条件下，则会出现明显的孔洞。
为了准确预测工艺参数对成形质量的影响，研究人员建立了回归分析模型。
如图5所示，该模型在预测熔道宽度（R=0.946）和熔池深度（R=0.923）方面表现出很高的准确性，这为后续的工艺优化提供了可靠的理论指导。
深入分析熔池特征时发现了一个关键现象。
如图6所示，在200W低功率条件下，熔池中会形成明显的Fe富集区和Cu富集区，这种元素分区现象源于Fe和Cu的低互溶性。
而当功率提升到400W时，虽然元素分布更均匀，但会出现明显的关键孔孔洞，这是由于铜元素的蒸发造成的。
在确定最优工艺窗口时，研究团队创新性地引入了基于熔道高宽比和稀释率的评价标准。
如图9所示，通过分析36组工艺参数的试验结果，研究人员确定了稀释率在10-50%之间且高宽比大于3的最优工艺区间。这个严格的筛选确保了沉积质量的稳定性。
然而，当采用传统的恒定激光能量输入策略进行多层沉积时，出现了新的挑战。
如图10所示，在恒定LEPF方法下，随着沉积层数的增加，成形质量明显下降，出现了严重的"焊珠"现象。
这个问题的原因可能在于基底材料（SS316L）和沉积层（CuCrZr）的导热性差异导致的冷却速率变化。
正是这一系列深入的工艺研究，促使研究团队提出了创新性的"递增激光能量"工艺策略。
如图4的熔池动力学分析所示，随着激光功率的变化，熔池的宽度、深度和稳定性都会发生显著变化。
通过在最初三层使用200W的低功率，确保与基底的良好结合，随后提升至1000W，适应材料导热特性的变化，最终实现了高质量的多层沉积。
在多层沉积优化阶段，研究人员对比了恒定能量输入和递增能量输入两种策略。
如图11所示的组织清晰地展示了不同策略下的成形效果。
结果表明，采用递增能量策略（前三层200W，后续1000W） 的样品表现出最优的致密度（97.47%）和组织均匀性。
AM易道认为，这种基于材料特性和成形机理的工艺创新，不仅解决了铜合金增材制造的难题，更为其他高性能金属材料的工艺开发提供了新思路。
特别是通过建立准确的工艺预测模型，结合对熔池行为的深入理解，形成了一套系统的工艺优化方法。
性能表征的深度解析与工艺价值
在建立了创新的工艺路线后，研究团队对制备的CuCrZr样品进行了全方位的性能表征。
这些测试结果不仅验证了工艺的有效性，更揭示了材料在实际应用中的潜力。
组织结构与缺陷分析
通过X射线计算机断层扫描（X-CT）技术，研究人员对样品的内部质量进行了无损检测。
如图12所示，最终获得的样品相对密度达到了97.47%，这一数值与激光选区熔化（LPBF）工艺相当。
特别值得注意的是，通过图12(b)和(c)的孔隙度分布分析发现，样品中存在两类典型缺陷：球形气孔（气体卷入导致）和不规则形状的未熔合缺陷。
其中90%以上的孔隙尺寸小于40微米，这表明工艺具有良好的稳定性。
扫描电镜观察（图15a-b）揭示了一个有趣的现象：
与大多数LP-DED制备的合金不同，样品中没有发现常见的枝晶或亚晶结构。
更重要的是，通过EDS面扫描（图15c-f）发现，Cr和Zr元素在铜基体中呈现出高度均匀的分布，没有出现明显的偏析。 证实了递增激光能量策略的优越性。
晶体学特征与织构分析
X射线衍射（XRD）分析（图13）揭示了一个重要发现：
在沉积态样品中只检测到α-Cu基体相，没有发现明显的Cr或Zr析出相。
更有趣的是，通过EBSD分析（图14）发现，材料沿建造方向形成了独特的<111>择优取向，这种织构特征与传统LPBF工艺中常见的<100>取向有所不同。
力学性能的异向性研究
通过在不同方向截取的微型拉伸试样（如图2所示），研究团队系统评价了材料的力学性能异向性。
测试结果显示，横向样品的抗拉强度（212.68±5.2 MPa）明显高于纵向样品（151.45±3.7 MPa），但延伸率则相反，纵向样品达到29±3.2%，而横向样品为22.5±2.1%。
AM易道认为，这种力学性能的异向性源于多个因素的综合作用。
如图16所示的取向分布图（OIM）清晰地展示了晶粒的择优取向。
而图17的KAM图揭示了不同方向上位错密度的差异。这些微观组织特征直接影响了材料的变形行为。
断口分析（图18b-d）提供了更深入的见解：样品整体表现出典型的韧性断裂特征，断口表面布满了细小的韧窝结构。
导热性能的突破
最引人注目的是铜合金的导热性能。
如图20所示，在室温下，沿建造方向的导热系数达到168.3±0.1 W/mK，横向为153.9±0.1 W/mK。
这一性能指标优于大多数LPBF工艺制备的CuCrZr合金，展现了LP-DED工艺在功能材料制备方面的独特优势。
性能机理探讨
研究团队分析了各种强化机制对材料性能的贡献。
结果表明，较低的位错密度、较小的晶格畸变以及较大的晶粒尺寸是最主要的导热强化方式。
进一步将本研究结果与现有文献进行对比（图21），发现了一个有趣的趋势：
虽然LP-DED制备的样品在强度上略低于LPBF工艺，但其综合性能，特别是导热性能和延展性方面表现出明显优势。
这种性能特征为航空航天领域的关键零部件设计提供了更大的灵活性。
AM易道最后聊两句
从工艺创新到性能验证，这项研究不仅解决了铜合金增材制造的技术难题，更为高性能功能材料的制备开辟了新途径。
递增激光能量策略的成功，揭示了重要思路：
增材制造工艺的优化不应局限于单一参数的调节，而应该从材料行为和成形机理出发，建立起完整的工艺体系。
研究团队通过深入理解材料在不同阶段的行为特征，成功实现了工艺的精准调控，这种方法论对整个增材制造领域都具有重要的借鉴意义。
在航空航天领域，火箭发动机喷嘴、燃烧室等关键部件长期面临着制造工艺的瓶颈。
DED工艺不仅能够实现大尺寸复杂构件的制造，其优异的导热性能和可控的性能异向性，更为这些关键部件的性能提升提供了新的可能。
特别是在维修再制造领域，这项技术展现出独特的优势。
让我们期待这项技术在未来能够催生更多的工程应用，为其他制造领域带来更多突破。
希望本文的研究能够带来启发。更多研究细节请参考文末的DOI信息。
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Reference:
1. https://doi.org/10.1007/s40964-024-00927-z
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