【摘 要】
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近年来,高强高弹Cu-1 5Ni-8Sn合金作为铍铜合金最具潜力的替代材料逐渐受到人们的青睐,然而其Sn元素过饱和易偏析的特性极大地限制了该合金的发展。虽然粉末冶金、melt-spinning、喷射成形等先进制造技术在控制该合金的元素偏析上取得了较好的效果,但这些制备技术仍存在工艺流程长、产品形状尺寸受限、材料利用率低等问题。基于粉末自由成形的激光增材制造技术以其快速凝固的技术优势可有效抑制合金元
【基金项目】
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国家重点研发计划重大专项（2017YFB0306100）； 国家自然科学基金（51271034）；
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近年来,高强高弹Cu-1 5Ni-8Sn合金作为铍铜合金最具潜力的替代材料逐渐受到人们的青睐,然而其Sn元素过饱和易偏析的特性极大地限制了该合金的发展。虽然粉末冶金、melt-spinning、喷射成形等先进制造技术在控制该合金的元素偏析上取得了较好的效果,但这些制备技术仍存在工艺流程长、产品形状尺寸受限、材料利用率低等问题。基于粉末自由成形的激光增材制造技术以其快速凝固的技术优势可有效抑制合金元素的偏析,显著细化晶粒尺寸,形成大量位错。最近随着“复合增材制造”、“极端制造”等概念的提出,融合了增材制造技术和多种加工技术的复合制造技术开始兴起,该技术作为材料制备的极端制造技术,可以获得常规方法难以得到的材料组织和性能,在材料改性方面具有突出的技术优势。研究表明预变形时效可以显著提高Cu-15Ni-8Sn合金的强度,然而目前利用激光增材制造技术与预变形时效强化相结合的激光极端制造技术来进一步发掘Cu-15Ni-8Sn合金潜能的研究鲜有报道。本论文分别利用激光熔融沉积（laser melting deposition,LMD）和选区激光熔化（selective laser melting,SLM）两种激光增材制造技术制备了致密的、晶粒细小的Cu-15Ni-8Sn合金材料,解决了 Sn元素宏观偏析的问题,其力学性能均优于铸造样品。为进一步提高激光增材制造Cu-15Ni-8Sn合金的强度,根据其快速凝固非平衡组织的特征,对其进行了“直接时效”、“固溶→时效”、“固溶→预变形→时效”三种后处理强化工艺的研究。系统分析了 400℃等温时效过程中快速凝固非平衡组织、固溶态组织、形变组织对Cu-15Ni-8Sn合金时效行为的影响规律,以及该合金的强化机制及其影响因素。在对激光增材制造Cu-15Ni-8Sn合金及其后处理强化的研究中发现:（1）激光增材制造Cu-15Ni-8Sn合金中Sn元素的微观偏析以及时效前的预变形均减弱了时效强化的效果,并导致了调幅组织、有序相（D022和L12）、片层组织的不均匀分布;（2）位错亚结构改变了调幅组织及有序相的形貌,并影响了 D022有序相的变体类型,SLM样品直接时效后形成的围绕胞状晶的“原始偏析相+有序相”蜂窝状网络结构提高了其强度和电导率;（3）调幅组织、有序相（D022和L12）、不连续析出γ相、片层组织均能提高Cu-15Ni-8Sn合金的强度,而与基体共格的L12有序相的强化效果最大,D022向L12转变缓慢是该合金不易过时效的主要原因;（4）不连续析出γ相形成的晶界网络结构是造成Cu-15Ni-8Sn合金塑性降低的重要原因,;（5）激光增材制造Cu-15Ni-8Sn合金的预变形时效强化工艺显著缩短了高强度Cu-15Ni-8Sn合金的制备流程,其屈服强度达到1329～1389 MPa,大变形促进不连续析出γ相优先沿着拉长晶界和变形带形核和长大,变形前晶粒尺寸越小,不连续析出γ相的分布越均匀。位错胞壁上层错和L-C位错与有序相长期共存,抑制了不连续析出γ相的形核,起到良好的强化效果。
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