3D打印热处理工艺宝典三：铜、钴铬和高熵合金

上两篇我们分享了铝、钢、钛合金、镍基合金的热处理研究总结，这一篇我们来覆盖铜合金、钴铬合金以及高熵合金。

此文也是系列文章的最后一篇。

铜基合金

纯铜

目前热处理研究的纯铜增材制造主要集中在LPBF、DED和冷喷涂(CSAM)技术。

由于纯铜的高热导率和高反射率，其3D打印加工面临着诸多挑战。

主要热处理步骤：

1. 应力释放：200-400°C，1-2小时

2. 退火：400-800°C，0.5-4小时

3. 热等静压（HIP）：800-1000°C，100-200 MPa，2-4小时

Hutasoit等人[1]研究了冷喷涂制备的纯铜零件的热处理效果。他们发现，在400°C下退火1小时可以显著改善材料性能。

这种处理使抗拉强度（UTS）从115 MPa提高到190 MPa，同时延展性从0.2%提高到3.5%。这种性能提升主要归因于退火过程中的再结晶和应力释放。

然而，当他们将退火温度提高到1000°C并保持1小时时，观察到了相反的效果。高温导致内部孔隙聚集，使UTS降低到55 MPa，延展性降至0.5%。

Wu等人[2]探索了感应加热对冷喷涂纯铜的影响。他们发现，700°C快速感应加热能够显著改善材料性能。这种处理使UTS从58 MPa提高到118 MPa，延展性从1.5%提高到7.5%，同时电导率从15 MS·m^-1提高到30 MS·m^-1。

相比之下，700°C下1小时的常规炉加热虽然使UTS进一步提高到202 MPa，延展性达到7.5%，但电导率反而降低到21 MS/m，这可能是由于内部孔隙的聚集造成的。

对于LPBF制造的纯铜，Silbernagel等人[12]的研究表明，热处理可以显著提高电导率。他们发现，电导率从打印后状态的76.8% IACS提高到热处理后的85.8% IACS。这种改善主要归因于热处理过程中位错密度的降低和晶界的减少。

此外，Raab等人[13]研究了电子束选区熔化(EBM)制造的纯铜的热导率和电导率。他们发现，热处理后的样品可以达到99.95%的相对密度，电导率可达57.5% IACS。

这些研究表明，适当的热处理可以显著改善3D打印纯铜零件的力学性能和电导率，但过高的温度或过长的时间可能导致性能下降。

因此，精确控制热处理参数对于优化纯铜3D打印零件的性能至关重要。

Cu-Cr基合金

Cu-Cr基合金，如CuCr1，在增材制造中表现出比纯铜更好的加工性。例如，CuCr1粉末的激光反射率为66%，而纯Cu粉末为74% [3]。

主要热处理步骤：

1. 固溶处理：900-1050°C，0.5-1小时

2. 时效处理：400-500°C，1-8小时

Jadhava等人[3]对LPBF制造的CuCr1合金进行了热处理研究。他们采用1050°C下1小时的固溶处理，随后在450°C下进行7小时的时效处理。

这种热处理工艺显著提高了合金的强度，屈服强度（YS）从183 MPa提高到331 MPa，抗拉强度（UTS）从254 MPa提高到439 MPa。

然而，这种强度的提高是以延展性的降低为代价的，延展性从39%降低到19%。

Zhang等人[4]研究了Cu-0.5Cr合金的热处理效果。他们采用920-1020°C下1小时的固溶处理，随后在480°C下进行4小时的时效处理。这种热处理工艺同样提高了合金的强度，YS从174 MPa提高到250 MPa，UTS从235 MPa提高到400 MPa，但延展性从26%降低到17%。

值得注意的是，他们还发现直接时效处理（377 MPa, 468 MPa, 19%）比固溶+时效处理（250 MPa, 400 MPa, 17%）获得了更好的强度-延展性平衡。

对于Cu-Cr-Zr合金，Zhang等人[4]研究了直接时效处理的效果。他们发现，在500°C下30分钟的时效处理可以将硬度从100 HV提高到220 HV，压缩屈服强度从195 MPa提高到540 MPa。Zr的添加促进了更细小的析出相形成，进一步提高了合金的强度。

下表总结了Cu-Cr-Zr合金热处理对电导率的影响。从表中可以看出，适当的热处理可以显著提高Cu-Cr-Zr合金的电导率。

这些研究结果表明，通过精心设计的热处理工艺，可以显著提高Cu-Cr基合金的强度和导电性。

然而，强度和延展性之间存在权衡，需要根据具体应用需求来优化热处理参数。

Cu-Sn和Cu-Ni-Sn基合金

Cu-Sn和Cu-Ni-Sn基合金通过添加Sn和Ni来改善力学性能。

主要热处理步骤：

1. 固溶处理：800-900°C，0.5-1小时

2. 时效处理：400-600°C，1-8小时

Zeng等人[5]研究了LPBF制造的Cu-10Sn合金的热处理效果。

下表展示了Cu-10Sn合金在不同热处理条件下的微观结构演变。

他们发现，600°C下1小时的退火处理可以部分溶解δ相，形成完全的α-Cu结构，从而提高材料的延展性。

当退火温度提高到800°C时，虽然晶粒显著长大，但延展性进一步提高，同时强度有所下降。

Mao等人[14]研究了Cu-15Sn合金的热处理效果。他们发现，500-700°C的退火处理可以将YS和UTS从436 MPa和661 MPa降低到约328 MPa和445 MPa，而延展性从7.4%提高到20-25%。

对于Cu-Ni-Sn合金，Wang等人[6]对LPBF制造的Cu-15Ni-8Sn合金进行了热处理研究。

下表展示了Cu-15Ni-8Sn合金在不同热处理条件下的微观结构变化。

他们采用850°C下1小时的固溶处理，随后在400°C下进行4小时的时效处理。这种热处理工艺促进了细小均匀的γ-D03相的形成，使屈服强度从230 MPa显著提高到550 MPa，同时保持了良好的导电性（40% IACS）。

相比之下，400°C下0.05到4小时的直接时效处理虽然也能提高强度，但会形成层状析出物，可能导致延展性下降。

Kim等人[15]研究了Cu-16.8Ni-3.6Sn-1.5P合金的热处理行为。他们发现，800°C的固溶处理后，形成了(Cu, Ni)3P强化相，将YS从230 MPa提高到346 MPa。

这些研究结果表明，Cu-Sn和Cu-Ni-Sn基合金的热处理工艺需要精确控制，以在强度、延展性和导电性之间取得最佳平衡。

钴铬基合金

Co-Cr基合金因其优异的耐磨性和生物相容性而广泛应用于医疗器械领域。

主要热处理步骤：

1. 固溶处理：1100-1200°C，1-2小时

2. 时效处理：700-900°C，1-4小时

Lu等人[7]对LPBF制造的Co-Cr-Mo合金进行了系统的热处理研究。他们发现，1150°C下1小时的固溶处理后进行水淬可以形成完全的ε-马氏体结构，使屈服强度达到650 MPa，延展率达到17.5%。

相比之下，相同条件下的固溶处理后进行炉冷会导致γ相的形成，虽然屈服强度降至590 MPa，但延展率提高到20%。

Ren等人[16]研究了DED制造的Stellite 12合金的热处理效果。他们发现，在750°C-950°C范围内进行时效处理可以显著改善合金的硬度和耐磨性。这主要是由于碳化物的析出和分布优化。

Wei等人[17]研究了电子束熔化(EBM)制造的Co-Cr-Mo合金的热处理行为。他们发现，适当的热处理可以消除as-built样品中的异常晶粒生长，获得更均匀的微观结构。

这些研究结果表明，通过调控热处理参数，可以根据应用需求实现Co-Cr基合金强度、延展性和耐磨性的最佳平衡。

高熵合金

高熵合金（HEAs）因其独特的多主元素组成和优异的综合性能而备受关注。

主要热处理步骤：

1. 退火：600-1200°C，1-8小时

2. 热等静压（HIP）：1100-1200°C，100-200 MPa，2-4小时

Kuzminova等人[8]研究了LPBF制造的CrFeMnNi高熵合金的热处理效果。

下图展示了退火温度和时间对CrFeMnNi高熵合金硬度的影响。

他们发现，500°C的退火处理可以使硬度达到最高值（约340 HV），这主要是由于纳米尺度析出相的形成。

然而，当退火温度超过600°C时，硬度开始下降，可能是由于析出相粗化和再结晶。

Shen等人[9]研究了WAAM制造的AlCoCrFeNi高熵合金的热处理行为。下图展示了该合金在不同热处理温度下的微观结构演变。

他们发现，600°C下8小时的热处理导致BCC相开始分解，FCC相形成，这提高了强度但可能降低延展性。

800°C下8小时的热处理促进了σ相的析出，进一步改变了力学性能。

当热处理温度提高到1000°C时，形成了FCC+BCC双相结构，σ相溶解，获得了更好的强度-延展性平衡。

Joseph等人[10]研究了Al含量对AlxCoCrFeNi高熵合金热处理的影响。下图展示了不同Al含量的AlxCoCrFeNi高熵合金在热处理前后的微观结构。

他们发现，对于低Al含量（x=0.3）的合金，HIP处理后保持单一FCC结构。而对于高Al含量（x=0.85）的合金，HIP处理后形成了复杂的多相结构，包括FCC、BCC和σ相。这表明Al含量显著影响高熵合金的相稳定性和热处理行为。

Nartu等人[11]研究了Al0.3CoCrFeNi高熵合金的时效行为。他们发现，500°C/100h和620°C/20h的时效处理可以将屈服强度从400 MPa分别提高到500 MPa和600 MPa。这主要是由于富Ni-Al的纳米析出相（如Ni3Al）的形成。

铜基、钴铬基、高熵合金的总结

下表总结了Cu基、Co-Cr基和高熵合金AM零件在不同热处理条件下的强度-延展性关系。

而下表则涵盖了Cu基、Co-Cr基和高熵合金AM零件的热处理参数和效果。

非常重要建议收藏。

这些研究结果表明，高熵合金的热处理行为复杂，强烈依赖于合金成分和热处理参数。通过精确控制热处理工艺，可以实现高熵合金微观结构和性能的精确调控，为高性能零件的制造提供新的可能性。

写在最后

这个系列涵盖了金属增材制造常见的金属类型的热处理研究整理和总结，希望能对于从事相关工作的读者朋友带来价值。

AM易道认为，在增材产品的热处理研究领域未来的研究方向还包括：

1. 针对于零件的独特微观结构和缺陷的特定热处理过程。

2. 常规热处理与其他热等静压、表面处理等工序的协同效应。

3. 研究热处理对AM零件疲劳性能、耐腐蚀性等长期服役性能的影响。

4. 开发原位热处理技术，在AM过程中实现微观结构的精确控制。

5. 利用先进表征技术和模拟方法，深入理解AM合金的热处理机理。

通过这些努力，有望充分发挥增材在材料设计和制造方面的优势，为高性能金属零件的制造开辟新的可能性。

热处理作为增材制造后处理的关键环节，在优化金属零件性能、消除残余应力和提高材料可靠性方面扮演着不可或缺的角色。

我们诚挚邀请各位读者深入阅读本系列共三篇文章，并分享您的见解、经验或疑问。

您对本系列文章有何看法？您认为还有哪些值得关注的研究方向？

欢迎在评论区留言，分享您的想法！

（正文内容结束）

     
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本文Reference：

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