激光选区熔化成形Cu-Al-Mn-La形状记忆合金

党明珠，朱文志，田 健，魏青松，史玉升

（ 华中科技大学材料成形与模具技术国家重点实验室，湖北武汉430074 ）

形状记忆合金（shape memory alloy，SMA）是一系列可通过马氏体相变及其逆相变呈现出形状记忆性能的合金[1]，具体相变过程为：在马氏体状态下产生一定的形状变形，当外界温度有所升高且高于奥氏体开始相变点As 时会回复为原母相的形状，特别是有的合金具有双程形状记忆效应。 形状记忆合金不仅具有形状记忆效应，还具有超弹性和高阻尼特征，是目前广受关注的新型功能材料[2]。 目前研究较为深入的形状记忆合金主要有Ni-Ti 形状记忆合金、Cu 基形状记忆合金和Fe 基形状记忆合金，其中Ni-Ti 合金因良好的机械性能与耐腐蚀性能，已广泛应用在工业和医疗领域中，但其成本高、变形温度低、延展性差，使其应用扩展速度减慢[3]；相比之下，Cu 基形状记忆合金成本低， 超弹性性能可等同于Ni-Ti 合金[3-4]，成为功能材料领域又一研究热点。 Cu-Al-Ni、Cu-Zn-Al、Cu-Al-Mn 为Cu 基形状记忆合金中研究较多的三类体系， 其中Cu-Al-Ni系合金和Cu-Zn-Al 系合金的冷加工性能差[4]，而当向Cu-Al 二元合金中加入Mn 元素时， 可使合金的变形区域向低转变温度范围扩大，提升了合金的形状记忆性能和力学形状记忆性能，并使得合金具有较好的延性[5-6]。 此外，Cu 基形状记忆合金由于晶粒粗大、各向异性等，适当添加稀土元素不仅可降低合金熔炼过程中气孔等缺陷的产生， 还可细化晶粒，改善合金内部组织，提高合金强度和塑性[7]。

激光选区熔化 （selective laser melting，SLM）技术以高能激光束为热源，将金属粉末逐层熔化后冷却凝固堆叠形成所需零件[8]，可实现个性化定制，获得高致密度、高精度的复杂金属零件。 在已报道的文献中，Gustmann 等[9-10]采用SLM 技术成形了Cu-Al-Ni 系合金，获得了高致密的样品，最后Zr 元素的加入提高了合金的相转变温度，并发现调整工艺参数可控制合金的机械性能和相转变温度， 表明SLM 成形Cu 基形状记忆合金具有可行性。 本文以Cu-Al-Mn-La 形状记忆合金粉末为原材料，研究了SLM 技术成形获得合金的致密度、微观组织和显微力学性能。

1 试验部分

1.1 试验材料

本试验采用气雾法制备了Cu-10.2Al-8.5Mn-0.3La（质量分数，%）合金粉末，图1 是粉末的微观形貌和粒径分布。 可见，粉末基本呈球形，表面较平整，粉末粒径呈正态分布，平均粒径为50.9 μm，粉末的流动性好，符合SLM 成形的材料要求。

1.2 试验设备与工艺

图2 是试验采用的加工设备，其成形台面尺寸为140 mm×140 mm，最大输出功率为500 W，最大扫描速度为5000 mm/s，并采用双缸送粉、刮刀铺粉方式。 Cu-Al-Mn-La 合金的成形工艺参数为：激光功率225 W，扫描速度500 mm/s，层厚0.025 mm，扫描间距0.1 mm，基板预热温度150 ℃，成形试样的致密度超过99%。

检测阶段采用阿基米德排水法测试试样的致密度，用Mastersizer 3000 激光粒度仪测试粉末的粒度，用JSM-7600F 场发射电子显微镜观察粉末形貌和块体的微观组织，用T1750 型原位纳米力学测试系统对试样进行纳米压痕分析。

2 结果与讨论

2.1 Cu-Al-Mn-La 合金微观组织和物相分析

图3 和图4 分别是SLM 成形Cu-Al-Mn-La 合金的微观组织在光镜和电镜下的形貌。 如图3 所示，在光学显微镜下可观察到合金的微观组织分为细晶区、过渡区和等轴晶区[11]，由于SLM 成形过程中温度梯度较大且粉末快速熔化凝固，使得成形时在熔敷道的中心和边界具有不同的冷却速率而呈现不同的晶粒分布， 熔敷道中心晶粒尺寸最小、边界尺寸最大，这种晶粒分布与铸态中合金的均匀细化粒径尺寸不同[7]。 此外，SLM 成形时部分气体未及时逸出， 导致试样表面存在少量气孔缺陷。 由图4可见，合金中元素分布均匀、晶界明显，晶粒内部存在马氏体结构。

图5 是SLM 成形Cu-Al-Mn-La 合金的XRD衍射图， 可见合金的微观组织为马氏体相和β1母相。 姚奇[7]在研究中加入0.3%La 的铸态合金固溶时效处理后的XRD 分析表明存在少量的β1母相峰，与未添加La 元素的合金相比， 出现了新的马氏体相和类α 相衍射峰，这两个峰的出现被认为与富La的析出相有关， 但本试验并未出现新的马氏体峰，合金中母相含量仍较多，表明SLM 成形过程虽然冷却速度快，但凝固过程中母相转变率较低，可通过固溶时效处理后提高马氏体含量。

2.2 Cu-Al-Mn-La 合金纳米压痕

试样经机械研磨抛光后，采用纳米压痕技术分析了SLM 成形Cu-Al-Mn-La 合金的力学性能与微观结构的关系。 图6 是SLM 成形Cu-Al-Mn-La 合金的三条纳米压痕载荷-位移代表曲线， 可见其规律一致。 经过公式推导计算， 试样的纳米硬度为（4.33±0.17） GPa，杨氏模量为（122±8） GPa，达到了预期强度。

3 结论

本文采用SLM 成形技术制备了致密度较高的Cu-Al-Mn-La 合金，得到以下结论：

（1）微观组织分析可知，与铸造相比，合金在熔敷道中心至边界依次分布着细晶区、过渡区和等轴晶区，晶粒内部存在马氏体结构。

（2）物相分析可知，试样中含有β1母相和马氏体相，可通过固溶时效后处理提高马氏体含量。

（3）通过纳米压痕分析可知，试样的纳米硬度为（4.33±0.17） GPa，杨氏模量为（122±8） GPa。