本文探討了用激光粉末層熔合（LPBF）生產(chǎn)出優(yōu)質(zhì)銅合金的過程及缺點(diǎn)。

Glenn Research Copper 84（GRCop-84）的激光粉末層熔合（LPBF）是一種Cr2Nb（8 at.%Cr，4 at.%Nb）沉淀硬化合金，可生產(chǎn)出屈服強(qiáng)度為500 MPa、極限抗拉強(qiáng)度（UTS）為740 MPa的全致密高導(dǎo)電合金，優(yōu)于其他競(jìng)爭(zhēng)銅合金，垂直于成型方向受力的材料的斷裂伸長(zhǎng)率為20%。銅基體中Cr2Nb沉淀的高熱穩(wěn)定性降低了粗化，對(duì)于垂直于構(gòu)建方向施加應(yīng)力的樣本并在900°C、5小時(shí)熱處理后保持300 MPa的屈服強(qiáng)度、520 MPa的UTS和26%的伸長(zhǎng)率，而在3小時(shí)450°C熱處理后，屈服強(qiáng)度增加到810 MPa，UTS增加到970 MPa，斷裂伸長(zhǎng)率增加到9%?；谟∷⒎较虻睦鞆?qiáng)度各向異性歸因于內(nèi)應(yīng)力和柱狀晶粒的形成。拉伸斷裂過程中的空洞形核是由銅基體中析出顆粒的脆性斷裂引起的。

通過TTT試驗(yàn)(Kusaka等人， 2012)研究了Zanchor復(fù)合材料的全厚度拉伸斷裂行為，如下圖所示。TTT試樣與DCB試樣在相同的復(fù)合材料板上加工。將0.6 mm厚度的單向CFRP板粘貼在試件的兩面。標(biāo)本外形尺寸為10 × 10 × 3.6 mm3。用金剛石薄鋸在試件的中間平面上小心地引入寬度為0.1 mm、路徑半徑為0.05 mm的u形切口。無(wú)切口區(qū)域大小為5 × 5 mm2。試件用雙組份環(huán)氧膠粘劑粘結(jié)到加載夾具上，如圖所示。采用螺桿驅(qū)動(dòng)試驗(yàn)機(jī)，以位移速率dδ/dt = 0.1 mm/min進(jìn)行TTT試驗(yàn)。

全厚度拉伸試樣。（a）樣本。（b）固定裝置。

1. 介紹

Glenn Research Copper 84 (GRCop-84)，一種鈮鉻(Cr2Nb)8 at. % Cr, 4 at. % Nb 沉淀硬化合金，已經(jīng)顯示出適合的增材制造(AM)激光粉末床熔合(LPBF)，也被稱為選擇性激光熔化(SLM)。高導(dǎo)熱性和與Nd:YAG的激光耦合不良以及1030-1080 nm波長(zhǎng)范圍的光纖激光器給傳統(tǒng)銅合金的AM帶來(lái)了挑戰(zhàn)，如無(wú)氧銅(C10100)、CuCrZr (C18150)、GlidCop (C15715)。這些特性通常會(huì)導(dǎo)致塊體材料的表面質(zhì)量差和亞單位密度降低熱和機(jī)械性能，需要熱等靜壓(HIPing)。

結(jié)果表明，14vol % Cr2Nb在低溫條件下提高了對(duì)近紅外激光的吸收，從而提高了材料的密度和表面粗糙度。GRCop-84打印密度超過99.9%，表面粗糙度Ra=3–4μm；相比之下，LPBF純銅達(dá)到Ra=18–30μm，密度為95%，CuCrZr達(dá)到Ra=10–16μm，密度為99.8%。印刷GRCop-84中的最小內(nèi)部空隙消除了印刷后熱等靜壓，防止高溫暴露使沉淀變粗，允許熱處理的靈活性來(lái)選擇所需的機(jī)械性能。高抗拉強(qiáng)度和在高溫下穩(wěn)定的沉淀結(jié)構(gòu)，可用于需要高強(qiáng)度和耐高溫的應(yīng)用，如火箭發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室和聚變反應(yīng)堆組件。

銅基體中Cr2Nb沉淀物的高溫穩(wěn)定性和抗粗化性能使GRCop-84在高溫下具有優(yōu)異的性能。與無(wú)氧銅（OFC）相比，在高達(dá)650°C的溫度下，通過形成耐用的Nb0，空氣中的抗氧化性提高了一個(gè)數(shù)量級(jí)。LPBF GRCop-84的導(dǎo)熱系數(shù)為260 W/m K ~ 300 W/m K (OFC的75% ~ 84%)，電阻率為2.5μΩ cm (OFC的140%)，在印刷狀態(tài)下的典型屈服強(qiáng)度為470 MPa, UTS為710 MPa。在印刷條件下，延伸率隨印刷方向的變化范圍為20 ~ 25%。900°C熱處理5 h后，塑性提高，延伸率提高到26-37%。

抗氧化性是電廠用合金的一項(xiàng)重要性能。它可以用計(jì)算熱機(jī)械來(lái)定性地評(píng)價(jià)。Tan和同事通過模擬在超臨界水中不同氧化學(xué)勢(shì)下形成的氧化物相，評(píng)估了FM鋼、奧氏體不銹鋼和鎳基高溫合金中形成的氧化鱗片的微觀組織。計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)觀測(cè)標(biāo)度的布局一致。下圖顯示了一個(gè)使用計(jì)算熱機(jī)械來(lái)幫助篩選暴露在蒸汽或加壓水中的候選鋼的抗氧化性的例子。如圖A中Fe- ni - 20cr (at.%)在1000℃下的氧化物穩(wěn)定性計(jì)算圖所示，為了防止FeO的形成，F(xiàn)e的含量需要小于~ 53 at.%。右邊的陰影框(粉紅色)表示一系列合金(~ 47-53 at。% Fe)有利于Cr2O3、尖晶石-1(富Fe M3O4 + Cr + Ni)、尖晶石-2 (M3O4 + Fe、Ni和Cr)和M2O3(主要是Fe2O3)的形成。與此相反，在左圖藍(lán)色陰影框中的合金上形成了氧化皮(~ 40-47 at。% Fe)的表面主要是尖晶石-2。DS合金是該地區(qū)的一種合金。由于Cr和Ni含量較高的尖晶石-2比Fe2O3和Fe3O4具有更強(qiáng)的抗氧化性和更強(qiáng)的抗脫落能力，因此DS合金的抗氧化性能預(yù)期優(yōu)于800H合金。

Fe-Ni-20Cr（at.%）在1000°C下的氧化物穩(wěn)定性圖以及在1000°C和1100°C下暴露于蒸汽中的合金800H和DS的質(zhì)量變化，PO2是O2的分壓。

在至少80%的斷裂尖端中，靠近尖端中心的相對(duì)側(cè)上，斷裂尖端包含匹配的沉淀碎片幾何形狀。根據(jù)斷裂表面上的沉淀物，預(yù)測(cè)最佳沉淀物尺寸為100nm，以獲得最大拉伸強(qiáng)度，而不同熱處理的拉伸試驗(yàn)顯示，最大強(qiáng)度為100nm和更小的沉淀物。Cr2Nb沉淀物在高溫下在多晶和單晶結(jié)構(gòu)之間發(fā)生轉(zhuǎn)變。

研究建議GRCop-84的LPBF AM用于在DIII-D tokamak上開發(fā)高場(chǎng)側(cè)（HFS）低混合電流驅(qū)動(dòng)（LHCD）多結(jié)射頻發(fā)射器，其中高溫烘烤和中斷期間的電磁負(fù)載阻止了因退火而使用OFC。LPBF允許在傳統(tǒng)加工難以實(shí)現(xiàn)的配置中對(duì)LHCD發(fā)射器部件進(jìn)行AM，例如移相器內(nèi)的錐形部分或功率分配器內(nèi)的RF調(diào)諧元件。與不銹鋼或鉻鎳鐵合金相比，銅的高導(dǎo)電性降低了射頻損耗，高導(dǎo)熱性增加了允許的第一壁熱負(fù)荷。盡管大多數(shù)商用LPBF打印機(jī)的制造面積小于LHCD發(fā)射器的體積，但銅焊、激光和電子束焊接已證明連接了典型LHCD發(fā)射器隔膜的GRCop-84薄板。與具有抗中子損傷能力的銅合金類似的沉淀物和晶粒尺寸意味著在聚變反應(yīng)堆環(huán)境中的適用性。AM GRCop-84 R F組件的表面粗糙度可通過選擇可接受的質(zhì)量精加工步驟降低至Ra

本文研究了熱處理LPBF印刷GRCop-84材料的斷口形貌，分析了析出相組織和抗拉強(qiáng)度的變化。LPBF印刷的GRCop-84的產(chǎn)率和UTS均大于擠壓或熱等靜壓的GRCop-84。在高溫暴露過程中，沉淀粗化飽和，使GRCop-84在900°C熱處理或釬焊后保持其初始強(qiáng)度的相當(dāng)一部分。通過選擇合適的熱處理工藝來(lái)優(yōu)化拉伸強(qiáng)度。斷口表面呈脆性斷裂，斷裂過程中Cr2Nb析出相成核孔洞，這種影響在GRCop-84中未見。這種效應(yīng)是AM GRCop-84的一個(gè)突出特性:在拉應(yīng)力作用下，析出相斷裂形成空洞形核。

對(duì)粉末熱等靜壓和擠壓法制備的GRCop-84材料的拉伸強(qiáng)度和斷裂進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)材料斷裂過程中斷裂尖點(diǎn)和析出相位置之間沒有明顯的相關(guān)性。與此相反，AM GRCop-84顯示了在拉應(yīng)力作用下析出相晶體的劈裂，使空洞成核并合并，導(dǎo)致材料斷裂。由于AM GRCop-84的抗拉強(qiáng)度明顯大于HIPed或擠壓材料，因此識(shí)別這種破壞機(jī)制對(duì)進(jìn)一步改進(jìn)該材料至關(guān)重要。利用斷裂尖點(diǎn)與析出相直徑比值的分布來(lái)預(yù)測(cè)材料最大強(qiáng)度的最佳析出相直徑，并與熱處理后的GRCop-84中的析出相尺寸進(jìn)行比較。

2. GRCop-84 材料特性

GRCop-84是一種具有亞微米Cr2Nb沉淀結(jié)構(gòu)的銅合金，熔體(8at. % Cr, 4 at. % Nb, bal. Copper)用冷塊熔體紡絲(CBMS)的帶狀或氣體霧化粉末，以防止大的沉淀生長(zhǎng)，否則在緩慢冷卻過程中會(huì)達(dá)到1厘米。析出相分布通過具有較大析出相的Hall-Petch機(jī)制和具有較小析出相的Orowan機(jī)制獲得了較高的機(jī)械強(qiáng)度。Cr2Nb析出相在銅基體中的溶解度較低，與其他析出硬化銅合金相比，Cr2Nb析出相具有更高的高溫穩(wěn)定性。在高溫下，擠壓態(tài)、HIPed態(tài)和釬焊態(tài)的晶粒和析出相組織沒有明顯粗化。

將GRCop-84粉末固化成完全致密的材料必須在足夠低的溫度下進(jìn)行，以防止沉淀結(jié)構(gòu)粗化，或者在熔體和再凝固時(shí)間足夠快的情況下進(jìn)行。流程操作銅的熔點(diǎn)以下矩陣和使用高壓鞏固grcop - 84粉,如熱等靜壓(HIP)從粉945至1010°C 208 MPa為1 - 4 h或直接擠壓粉830 - 885°C(857°C推薦),最低6:1減速比由區(qū)域。利用重熔的工藝必須使用快速熔體/再凝固循環(huán)，以防止沉淀粗化，如LPBF，電子束熔煉(EBM)，或真空等離子噴涂。

例如，目前透明陶瓷零件制造過程中，為了充分消除殘余氣孔，采用了HIP燒結(jié)后處理(簡(jiǎn)稱后HIP)。下圖為后hip處理完全消除孔隙后獲得的透明度。

第一排:圓盤的視覺形態(tài)，第二排:MgAl2O4尖晶石在(a) 1500℃無(wú)壓燒結(jié)2 h， (b) 1500℃后hip燒結(jié)10 h， (C) 1800℃后hip燒結(jié)1 h后的SEM顯微圖。

2．1． Cr2Nb沉淀性能

GRCop-84類似于彌散強(qiáng)化(DS)、沉淀硬化(PH)和金屬基復(fù)合材料(MMC)。與傳統(tǒng)的PH材料不同，Cr2Nb析出是在氣體霧化粉末的快速凝固過程中形成的，而不是在時(shí)效過程中形成的。幾十納米的Cr2Nb析出物像DS材料一樣存在，大量Cr2Nb析出物(約14%)像MMC一樣存在于銅基體中。Cr2Nb析出形成C15 (cF24) Laves相，是一種緊密排列的二元金屬間化合物，近似公式為AB2，其中a原子(Nb)是較大的元素。B原子(Cr)形成角與角相連的多層四面體，而A原子則在菱形晶格中填充B原子四面體內(nèi)部的空間。C-15相類似于f.c.c.，但四層相互滲透的原子層抑制了滑移位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)。Cr2Nb單元胞含有24個(gè)原子，晶格參數(shù)為6.98 ，而銅單元胞f.c.c結(jié)構(gòu)為4個(gè)原子，晶格參數(shù)為3.6 。

非化學(xué)計(jì)量的Laves相導(dǎo)致反位取代晶體缺陷，在晶格中較普遍的原子取代較不普遍的原子。在某些Laves相中，如Cr2Nb，富Nb和富Cr構(gòu)型的反位取代形式;較大的Nb原子取代較小的Cr原子位置。Cr:Nb = 2.05:1的原子比可以防止氫脆，這是由于在火箭發(fā)動(dòng)機(jī)和聚變反應(yīng)堆環(huán)境中，鈮對(duì)氫的親和力。Cr2Nb根據(jù)Cr與Nb的比例在1620℃(富Cr)到1650℃(富Nb)之間熔化，而Cu則在1084℃熔化。在Cr2Nb中，Laves相在60%的熔點(diǎn)，870°C發(fā)生韌脆轉(zhuǎn)變。

(a)斷口金相切片顯示回火馬氏體組織沿原奧氏體晶界開裂，(b)高強(qiáng)鋼斷口掃描電鏡顯示脆性的晶間面。

HE產(chǎn)生的裂縫與很少或沒有宏觀變形有關(guān)，但通常表現(xiàn)出局部塑性的跡象。斷口表面通常是明亮的(除非在開裂后發(fā)生大氣腐蝕)，并且通常由于沿晶界或沿低指數(shù)晶體解理面開裂而呈面狀。對(duì)于高強(qiáng)度鋼，對(duì)于正常水平的金屬-雜質(zhì)偏析，裂紋通常發(fā)生在前奧氏體晶界處(上圖)，但在高純鋼中，裂紋可能發(fā)生在馬氏體-板條界面處。

在較寬的溫度范圍內(nèi)，Cr2Nb沉淀在銅基體內(nèi)保持穩(wěn)定，在較高的溫度下，Cr2Nb沉淀的粗化或生長(zhǎng)最小。HIPed或擠壓GRCop-84的釘住晶界在800℃長(zhǎng)期暴露中進(jìn)一步抑制了晶粒長(zhǎng)大，而在1000℃暴露后，抗拉強(qiáng)度幾乎沒有下降，而大多數(shù)沉淀硬化合金在高溫暴露后減弱。高溫穩(wěn)定性和由此產(chǎn)生的抑制銅顆粒的生長(zhǎng)，使GRCop-84 HIPed或從粉末中擠出后，在高達(dá)1000°C的溫度下長(zhǎng)時(shí)間暴露后，保持其大部分強(qiáng)度，因?yàn)槌恋泶只跉怏w霧化過程中已經(jīng)飽和，隨后在使用HIPing或擠壓過程的冷凝過程中保持。在1000℃的模擬釬焊循環(huán)中，由于顆粒粗化，擠壓GRCop-84的抗拉強(qiáng)度降低了75 MPa。

沉淀的熱穩(wěn)定性取決于溶解度，在1750℃以下的液態(tài)銅中Cr和Nb的溶解度都很低，在固態(tài)銅中則可以忽略不計(jì)。低遷移率賤金屬抑制團(tuán)聚。在冷卻速度為102 ~ 103 Ks 1的氣體霧化粉末中，析出相呈雙峰分布，主要由初始快速凝固過程中形成的直徑達(dá)0.5 μm的初生顆粒和隨后時(shí)效過程中形成的直徑為24 ~ 76 nm的二次顆粒組成。106 K/s的冷卻速率不足以抑制Cr2Nb析出。在500℃~ 700℃的熱處理過程中，在30 nm范圍內(nèi)產(chǎn)生了二次析出物，在1 h后析出體飽和，然后開始緩慢合并，直到100 h結(jié)束時(shí)晶粒尺寸保持不變。在827℃以上，這些小的沉淀開始溶解回銅基體。Cr2Nb的析出范圍為20 nm ~ 0.5 μm。GRCop-84熔融相中含有一定比例的共溶Cr和Nb，在凝固過程中析出。

2．2. 沉淀強(qiáng)化機(jī)制

Cr2Nb在高溫下析出針狀晶界阻止生長(zhǎng)，并提供Orowan位錯(cuò)障礙。從粉末中擠出的GRCop-84晶粒尺寸為1 ~ 5 μm，亞微米Cr2Nb析出，晶粒尺寸呈雙峰分布。氣體霧化過程中，銅液內(nèi)部形成較大且形狀不規(guī)則的初生析出相，主要分布在晶界上，而固溶體冷卻至溶點(diǎn)以下或時(shí)效過程中形成較小的球形析出相。擠壓成型的GRCop-84中，一次沉淀與二次沉淀的邊界為300±100 nm。在溶解溫度以下時(shí)效會(huì)析出更多的二次顆粒，并形成三峰型尺寸分布。

Orowan強(qiáng)化取決于析出相的大小和體積分?jǐn)?shù)以及銅基體內(nèi)部。

Ashby-Orowan方程(1)給出了拉伸強(qiáng)度的增加，Δσy，其中b為滑移方向的Burgers矢量(銅為0.255 nm)， Gb為Burgers矢量-剪切模量積(銅為12.3MPa μm)， f為析出相體積分?jǐn)?shù)，r為析出相半徑。假設(shè)硬顆粒體積分?jǐn)?shù)不變，拉伸強(qiáng)度隨析出相半徑的減小而增大。當(dāng)旁通滑移從Orowan環(huán)向顆粒剪切過渡時(shí)，這種趨勢(shì)在低半徑范圍內(nèi)受到限制。最大強(qiáng)化發(fā)生在粒子剪切過渡到Orowan環(huán)的臨界半徑。

屈服強(qiáng)度與晶粒尺寸有關(guān)，由Hall-Petch方程(2)描述，σ0 = 26 MPa為純銅的Hall-Petch常數(shù)，ky = 0.12 [MPa m1/2]為銅的材料比強(qiáng)化系數(shù)，d為晶粒直徑。

假設(shè)基體為純銅，晶粒尺寸為2.7 μm，計(jì)算得到的Hall-Petch機(jī)制的晶界強(qiáng)化強(qiáng)度為99 MPa。隨著晶粒尺寸減小到20 ~ 30 nm，銅的屈服強(qiáng)度繼續(xù)增大。純銅的屈服強(qiáng)度達(dá)800 ~ 900 MPa，晶粒尺寸為20 nm。LPBF GRCop-84中晶粒尺寸的減小將進(jìn)一步提高其抗拉強(qiáng)度。

雙峰型析出相尺寸分布使擠壓成型的GRCop-84具有高強(qiáng)度和耐高溫軟化性能。較大的沉淀釘住晶界，通過阻止生長(zhǎng)保持Hall-Petch強(qiáng)化。當(dāng)溫度為800℃，溫度為100 h時(shí)，釘住晶界的尺寸不大于2.6 μm。Cr2Nb在銅中的溶解度低，具有較高的高溫穩(wěn)定性。與其他沉淀硬化銅合金在釬焊溫度下永久軟化不同，較大的Cr2Nb沉淀不會(huì)溶解到銅基體中，晶界保持固定。

較小的析出相通過Orowan機(jī)制產(chǎn)生位錯(cuò)障礙，主導(dǎo)擠壓GRCop-84的強(qiáng)化。隨著高溫時(shí)間的延長(zhǎng)，小顆粒變粗，強(qiáng)度降低。在500℃時(shí)效100 h時(shí)，原有的二次粒子使變粗，新二次粒子的析出使強(qiáng)度增加。直徑~1 μm的顆粒強(qiáng)化強(qiáng)度是小顆粒強(qiáng)化強(qiáng)度的10倍，可以忽略不計(jì)。在釬焊過程中，隨著Orowan機(jī)制的增強(qiáng)，二次析出相的增加會(huì)提高釬焊的抗拉強(qiáng)度。

2.3 對(duì)GRCop-84的LPBF打印的研究

grco -84的LPBF打印技術(shù)由NASAMSFC、ASRC聯(lián)邦航天LLC和特殊航空航天服務(wù)公司(SAS)開發(fā)。

GRCop-84是由ATI粉末金屬生產(chǎn)的氣體霧化粉末印刷在Visser精密專用航空航天服務(wù)(SAS)的EOS M290上。沒有應(yīng)力消除，退火或熱處理被應(yīng)用。制作了火箭發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室、拉伸試樣和圓柱形試樣。長(zhǎng)度~140 mm和直徑1 mm的無(wú)支撐冷卻通道足夠?qū)挘梢匀コ勰?。?dāng)懸垂角度大于構(gòu)建板的水平XY平面45°時(shí)，冷卻通道的下垂被最小化(坐標(biāo)系統(tǒng)見圖4)。六角棒在車床上車削，以創(chuàng)建一個(gè)減少的橫截面拉伸試樣。圓柱體直徑2毫米，沿Z軸印刷，用電火花絲從構(gòu)建板上移除。

圖4 LPBF打印樣品GRCop-84條。Bar (a)沿其長(zhǎng)度(下圖中從左到右打印時(shí)z軸)打印，Bar (b)沿其寬度(下圖中打印出頁(yè)面時(shí)z軸)打印。從末端(c)開始沿其寬度切割~3毫米，以產(chǎn)生內(nèi)部樣品(d)。激光艙口圖案可見于印刷部件(b)的頂部表面。棒材尺寸為89毫米× 12.7毫米× 9.5毫米。

microcomputed Tomography (μCT)掃描在Zeissxradi520 Versa μCT上進(jìn)行掃描，體素尺寸為3.7μm，在印刷GRCop-84圓柱體內(nèi)測(cè)量空隙。在直徑為2 mm、總密度為99.875%的測(cè)試筒上，孔隙率(99%)主要分布在表面以下100 μm處?？紫抖燃性跉ぶ軖呙韬吞畛淇讏D案之間的重疊處。散體材料，不包括面層，具有99.9%的密度作為印刷材料，而不需要HIPing達(dá)到全密度。

光鏡和掃描電鏡圖像顯示，在XY平面上蝕刻的橫截面顯示Cr2Nb沉淀被推到激光熔池的邊界。熔池中心的銅基體中細(xì)小的晶粒被寬度為6 μm的長(zhǎng)柱狀晶粒包圍，這些長(zhǎng)柱狀晶粒穿過相鄰熔池的邊界生長(zhǎng)。LPBF打印件的外表面由30 μm Cu顆粒組成的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，表面粘有未熔化或部分熔化的粉末顆粒。能量色散x射線光譜分析表明，其成分為8.43 at.% Cr, 4.35 at .% Nb (Cr/Nb = 1.94)。

ARAMIS系統(tǒng)測(cè)量的所有測(cè)試的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。

記錄的PP和MWCNT/PP材料的拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線如上圖所示。PP材料的曲線有一個(gè)小的散點(diǎn)。相反，MWCNT/PP材料的曲線表現(xiàn)出較大的彌散性，反映了增強(qiáng)質(zhì)量的變化。對(duì)比兩種材料的曲線，發(fā)現(xiàn)添加MWCNTs后，PP材料的楊氏模量和屈服應(yīng)力(最大應(yīng)力)明顯增強(qiáng)。

拉伸試驗(yàn)表明，由于印刷取向的原因，LPBF印刷樣品的屈服強(qiáng)度各向異性為0.2%。平行于應(yīng)力方向的試樣屈服強(qiáng)度為392 MPa，延伸率為710 MPa，延伸率為16.6%;垂直于應(yīng)力方向的試樣屈服強(qiáng)度為472 MPa，延伸率為714 MPa，延伸率為15.4%。在UTS中沒有觀測(cè)到各向異性。微觀尺度上典型的韌性斷裂斷口在平行于拉伸方向(桿長(zhǎng)沿Z軸，見圖4)的拉伸桿上顯示LPBF缺口圖案，并在垂直于拉伸方向(桿長(zhǎng)沿XY平面)的拉伸桿上形成分層。斷口面上的激光焊跡被斷口切割，這意味著焊縫處的分離很小。

GRCop-84 LPBF打印技術(shù)于2014年由NASAMarshall航天飛行中心開發(fā)，此前，NASAGlenn研究中心在鍛造GRCop-84制造方面進(jìn)行了工作。概念激光M2上的LPBF使用了以下設(shè)置：

Laser power: 180 W

Laser scan speed: 600 mm/s

Layer thickness: 30 μm

Hatch Width: 105 μm

LPBF GRCop-84由來(lái)自不同供應(yīng)商的氣體霧化粉末固結(jié)而成，在機(jī)械性能方面存在微小差異。加入直徑

鈮中可吸收大量氧氣，鐵是鉻裝藥中的常見污染物。鉻裝藥產(chǎn)生的200–250 appm鐵污染降低了GRCop-84的導(dǎo)熱系數(shù)，而500 psi的空氣或氮?dú)夂湾F形冷卻通道有助于從冷卻通道中去除粉末，窄通道或油污染會(huì)抑制粉末的去除；錘擊在熱等靜壓前去除粉末會(huì)產(chǎn)生微裂紋。通過水流測(cè)試或CT掃描驗(yàn)證通道中的粉末去除。

氣壓滲透法制備Cu-Ti/金剛石復(fù)合材料的熱導(dǎo)率。

Cu-Ti/金剛石復(fù)合材料的導(dǎo)熱系數(shù)如上圖所示。導(dǎo)熱系數(shù)先增大到0.5 wt% Ti后減小，最大導(dǎo)熱系數(shù)為752 W/mK。熱導(dǎo)率的變化與界面碳化物的演化密切相關(guān)。

與平行于應(yīng)力方向的印刷相比，垂直于應(yīng)力方向印刷的印刷棒的各向異性使其抗拉強(qiáng)度提高了約10%。更快的激光掃描速度增加了LPBF GRCop-84體的孔隙度，但這種增加的孔隙度被HIPing降低。長(zhǎng)度為25.4 mm的冷卻劑通道經(jīng)過壓力測(cè)試，壓力達(dá)到13.8 MPa，沒有由于氣孔而泄漏的跡象。與HIPed試樣相比，印刷態(tài)試樣具有較高的強(qiáng)度和較低的塑性，意味著殘余壓應(yīng)力為。后HIP材料的強(qiáng)度與擠壓成型的GRCop-84相似，意味著完全退火。HIPed LPBF GRCop-84合金的斷裂伸長(zhǎng)率大于擠壓材料，這是由于較細(xì)的Cr2Nb析出物增加了銅基體在斷裂前的應(yīng)變。

HIPed lpbfgrcop -84的屈服強(qiáng)度為208MPa, UTS為390 MPa，延伸率為30%。印刷后的GRCop-84具有較高的殘余應(yīng)力，導(dǎo)致斷裂伸長(zhǎng)率較低。消除應(yīng)力的熱處理延性提高了延性，但降低了抗拉強(qiáng)度。施工條件下的UTS為674 MPa，經(jīng)HIP處理后降低至390 MPa。在500-700℃范圍，GRCop-84的抗拉強(qiáng)度超過了幾乎所有其他銅合金。在需要HIPing、高溫?zé)崽幚砘蜮F焊的零件中，如果后續(xù)不允許固溶和沉淀熱處理，GRCop-84在所有溫度下的抗拉強(qiáng)度都超過了所有其他沉淀強(qiáng)化銅合金。

3.試驗(yàn)樣品的增材制造

本文測(cè)試的LPBF GRCop-84樣品由Quadrus公司生產(chǎn)。(在2020年5月之前，前身為ASRC聯(lián)邦航天有限責(zé)任公司)。lpbf生產(chǎn)使用以下設(shè)置:

機(jī)器類型:概念激光M2 (p/n: SL400W)

最大建筑面積:250mm × 250mm

最大建筑高度:350毫米

激光功率:180w

激光掃描速度:600mm /s

厚度:30 μm

艙口寬度:100 μm

組件在氬氣氣氛下印刷，以防止氧化。激光掃描投影一個(gè)3毫米× 3毫米的正方形艙口圖案與圖案在相鄰的正方形旋轉(zhuǎn)90°。缺口峰與峰之間間隔100 μm。一個(gè)單一的艙口線掃描周圍的部分橫截面圓周導(dǎo)致更平滑的外部表面。印刷后的GRCop-84用壓縮空氣和水中超聲波清洗。熱處理(本文稍后討論)是在清洗后進(jìn)行的。

包含LPBF極向射頻功率分配器和移相器的構(gòu)建板分別如圖1 (a)和(b)所示。功率分配器的化學(xué)/化學(xué)機(jī)械加工如(c)所示，降低了低射頻損耗的表面粗糙度。用傳統(tǒng)的機(jī)械加工無(wú)法生產(chǎn)的波導(dǎo)段，通過彎曲或拉伸難以生產(chǎn)的波導(dǎo)段如圖(d,e)所示。寬帶寬反射計(jì)喇叭天線如(f)所示。

圖1 LPBF波導(dǎo)和LHCD發(fā)射裝置部件在構(gòu)建板上(a-f)。照片(a,b,d,e)由Quadrus公司提供。

來(lái)源：Fracture characteristics and heat treatment of laser powder bedfusion additively manufactured GRCop-84 copper，Materials Scienceand Engineering: A，https://doi.org/10.1016/j.msea.2021.141690

參考文獻(xiàn)：David L. Ellis，GRCop-84: A High-Temperature Copper Alloy for High-Heat-FluxApplications(2005)，https://ntrs.nasa.gov/citations/20050123582，NASA/TM2005-213566