激光选区熔化(SLM)作为主流的金属增材制造(AM)技术之一，可直接制造完全致密的复杂功能零件，已在航空航天、生物医疗等领域得到广泛应用[1]．目前，SLM技术已经被广泛应用于不锈钢、钛合金、镍基高温合金等材料的高质量增材成形[2]．铜及其合金是先进制造的关键基础材料之一[3]．随着工业发展对铜零件的形状、结构复杂性要求越来越高，通过传统加工工艺制造铜及其合金零部件受到限制．SLM技术可以摆脱模具的限制，在制造复杂零部件中具有巨大的应用潜力．然而，铜对常规红外光纤激光束(波长为1 064 nm)的反射率较高[4]，SLM成形铜及其合金仍存在致密度低、力学性能差的挑战，目前相关研究仍处于初步阶段．文献[5]研究了SLM成形纯铜的工艺、微观组织和机械性能，获得了致密度接近88 %的样品．在采用大功率激光器后，纯Cu的致密度获得大幅度提升，文献[6]采用800 W激光功率打印纯铜的致密度为96.6%．大量研究表明：CuCrZr合金的成形致密度不超过99.5%，很难进一步提升．由于激光器最大功率、设备光学系统及材料吸收率的限制，CuCrZr合金吸收的激光能量有限，同时材料高导热性造成激光能量进一步衰减，材料成形困难．针对此难点，许多研究团队进行了大量尝试，发现通过合金化[4]、增大激光功率[7]、使用短波长激光[8]及表面涂层[9]等方法均可以提升合金的成形质量．最近，香港中文大学研究团队开发了一种高精度SLM系统，能够有效提升铜粉在低激光功率下能量吸收率，将纯铜的致密度提高到99.6%以上[10]．使用传统工艺制造的CuCrZr，导电率一般可达75%~80% IACS(国际退火铜标准)值，极限抗拉强度(ultimate tensile strength，UTS)值为380~420 MPa，硬度为110~140 HV[11]．研究表明：由SLM成形且经过时效处理后的CuCrZr合金，导电率能达73 % IACS值，UTS为490 MPa，与传统工艺制造的数据相当[12]，初步证明SLM结合热处理工艺应用在CuCrZr零件的可行性．铜感应加热线圈是汽车曲轴表面热处理的核心元件之一，其导电与冷却性能直接关系到被加热工件的最终性能、生产成本与加工效率．汽车曲轴感应加热线圈有如下要求：导电率超过80% IACS值；承受600 ℃以上的感应温度而不熔穿；冷却水道具有一定流量，避免温度集中在某个部位．目前，CuCrZr合金的增材制造研究主要集中在合金元素的成分与含量、工艺参数、热处理工艺对性能的影响．一方面，成形件致密度普遍较低，难以成形全致密零件；另一方面，成形件的性能特别是导电性能的研究不够深入．因此，如何实现CuCrZr合金感应线圈SLM一体化成形？如何对基于SLM工艺的感应线圈进行结构设计与优化以保证内流道流量？如何通过热处理提升SLM成形CuCrZr感应线圈的导电率及作用机理？上述问题都有待深入研究．为此，本研究提出CuCrZr感应线圈SLM一体化成形方法，以达到缩短周期、提高品质及降低成本的目的．1 实验方法1.1　感应加热线圈结构设计优化目前所使用的感应加热线圈由纯铜管经手工弯制、钎焊制造．一方面，该过程对人员技能要求高，制作周期漫长，成本较高；另一方面，手工作业的品质保证度低，容易在加工过程发生穿孔产生故障和品质问题[13]．感应线圈的优化设计主要针对外部形状及内流道两个部分．其中，线圈外形由被加热对象的形状决定，其设计规则须要确保加热的均匀性，防止被加热工件发生局部区域过烧、加热不足及热影响层深度不一致等问题；内流道的功能是要保证线圈本体能够及时散热，其设计原则是要保证一定的壁厚与流量，并避免泄漏．因此，基于上述设计原则，结合SLM成形工艺特点，对感应线圈进行内流道结构优化设计，如图1和图2所示．其中，将原设计的直角转弯改为直角过渡结构；管道的方形截面改为圆形截面；台阶结构改为台阶平滑过渡结构，同时在保证壁厚的条件下扩大内流道尺寸，使其满足导电率、温度和流量的要求．10.13245/j.hust.230413.F001图1内流道优化与模型建立10.13245/j.hust.230413.F002图2内流道优化原则1.2　成形设备与材料本实验中使用的SLM设备为华南理工大学增材制造实验室自主设计研发的DiMetal-280．该设备的核心部分包括连续光纤激光器、光路传输与控制单元、水循环冷却系统、密封成形室、烟尘过滤系统、铺粉机构、粉料缸与成形缸控制系统等．实验材料为北京康普锡威科技有限公司生产的球形气雾化CuCrZr合金粉末，其组成成分如下：Cr占0.5%~1.5%(质量分数)、Zr占0.05%~0.25%(质量分数)、Fe和Si低于0.05%(质量分数)、P低于0.01%(质量分数)、其余为Cu．该粉末粒径分布在15~53 μm，平均粒径为30.83 μm．在成形试样之前使用250目的标准筛筛除不满足粒径范围的颗粒，再将筛选后的粉末放在烘箱中，在120 °C温度下进行2 h干燥处理．1.3　试验过程与测试a．SLM成形工艺优化为了实现CuCrZr曲轴感应线圈的高质量SLM成形，首先对成形试样的致密度进行优化．成形单熔道与立方块体工艺参数如下：激光功率为250~425 W、扫描速度为200~1 200 mm/s、扫描间距为50~130 μm、粉层厚度为30 μm、扫描策略为195˚，205˚，225˚，210˚旋转偏移．采用基恩士VHX-5000型超景深三维显微镜观测单熔道形貌，采用阿基米德排水法原理测试成形方块的密度，成形件的致密度通过实际密度与理论密度(8.91 g/cm3)的比值计算获得．b．CuCrZr热处理根据高致密度成形件的工艺参数成形若干测试试样，如图3所示．打印试样均经过热处理，热处理工艺参数设置为：在430 ℃下保温3 h；480 ℃下保温2 h；550 ℃下分别保温1，2，3，4，5，6 h；600 ℃下分别保温1，3，5，7，9 h；700，800，900 ℃下均保温2 h．热处理设备采用德国纳博热公司(Nabertherm company)的N41/H马弗炉，为了避免试样在加热过程中被氧化，在热处理之前进行氩气封管处理．试样在室温下放入热处理炉内，以10 ℃/min速度随炉升温后进行保温，保温结束后出炉空冷/水冷．10.13245/j.hust.230413.F003图3SLM成形试样(mm)c．组织与性能测试对热处理前后的SLM CuCrZr试样进行微观组织表征和导电率、拉伸性能测试，确定用于SLM感应加线圈的最佳热处理参数．采用荷兰PANALYTICAL公司的 X射线衍射仪进行物相分析，用600号金相砂纸将被测试样表面打磨平整后进行测试．使用德国徕卡仪器有限公司的LEICA DM4000M型倒置金相显微镜和美国FEI公司的NOVA NANOSEM 430型扫描电子显微镜对试样进行组织观察，对样品进行研磨、抛光、腐蚀，最后观察显微组织，实验采用腐蚀液为氯化铁盐酸水溶液(FeCl3为5 g，HCl为15 mL，H2O为100 mL)，抛光后将腐蚀液均匀滴在试样上，时间控制在10 s左右，最后用酒精对抛光面清洗，烘干备用．使用珠海市三思泰捷电气设备有限公司的CMT5105型电子万能试验机进行拉伸测试，拉伸速率为0.8 mm/min，获得抗拉强度、屈服强度和断后延伸率数据，每组工艺测试三个试样以获得平均值．d．感应线圈设计、制造与测试通过微深公司生产的VTop 200B 三维扫描仪对原件进行逆向建模，获取感应线圈的三维模型后重新设计冷却水管道，利用Fluent 20.0软件模拟冷却水流动过程，确认管路流量是否达到22 L/min以上．设计完成后在DiMetal-280 SLM设备上采用优化的工艺参数进行打印成形及后续热处理．最后，对SLM成形的感应线圈进行尺寸精度、导电率与冷却水流量测试验证．尺寸精度通过三维扫描仪测量所得数据与基准模型数据运算获得，打印件的导电率由厦门福司特电子科技有限公司FD 101型涡流导电率仪进行测试，对每个样品测量3次并取平均值，而冷却水流量通过流量测试仪获得．2 结果与讨论2.1　SLM工艺对CuCrZr致密度与导电率的影响SLM成形CuCrZr单熔道质量结果如图4和表1所示．不同成形参数下的熔道质量可分为稳定成形、球化和欠熔化．当扫描速度超过900 mm/s时，单熔道的成形质量较差，主要表现为熔道断续不完整、熔道中心粉末欠熔化，以及熔道连续但严重球化、表面不平整而影响下一层的铺粉和打印．当扫描速度在1 100 mm/s以上时，激光与材料相互作用时间短，且由于CuCrZr材料的高导热性，造成有效激光能量输入严重不足，导致熔池边缘的粉末部分熔化且熔池的实际宽度减小；此外，过高的扫描速度加剧熔池波动，诱导大量飞溅落入已凝固的熔池表面，导致表面粗糙．因此，CuCrZr合金的SLM成形应避免过高的扫描速度．最后确定单熔道优化工艺参数范围：激光功率为340~420 W；扫描速度为500~900 mm/s，用于后续的块体打印．基于该工艺参数范围，固定层厚为30 μm，扫描间距为110 μm，进行CuCrZr块体成形．10.13245/j.hust.230413.F004图4单熔道激光功率与扫描速度对成形质量的影响10.13245/j.hust.230413.T001表1不同成形参数下的熔道质量类型序号激光功率/W扫描速度/(mm∙s-1)熔道质量类型1340500稳定成形2380500稳定成形3420500稳定成形4340700稳定成形5380700稳定成形6420700稳定成形7340900球化8380900稳定成形9420900稳定成形103401 100球化113801 100球化124201 100球化133401 300欠熔化143801 300欠熔化154201 300球化图5显示了成形块体的致密度分布，选取4个典型工艺参数组合，相应成形试样的显微组织如图6所示．当激光功率低于260 W时，无论扫描速度如何变化，方块致密度都较低，且存在较大孔隙；当激光功率达到300 W以上时，低扫描速度可使孔隙的数量和尺寸明显减小，致密度能达到99 %以上．特别地，当激光功率为400 W，扫描速度为900 mm/s时，可获得最高致密度值99.34 %．当同时增加功率和减小速度时，激光能量密度将显著增加，导致严重的飞溅，熔池能够获得更多的能量，尺寸变大，引起周围粉末向熔池中心汇聚，使得激光加工路径前方供粉不足，熔池尺寸无法维持下去，继而尺寸变小，形成一种尺寸周期性变化的非稳定熔池，影响成形过程和质量．因此，无法通过进一步同时提高功率和降低速度来提高致密度．综上所述，成形CuCrZr零件的SLM工艺采用高激光功率、低扫描速度为宜．10.13245/j.hust.230413.F005图5不同参数下的致密度分布图10.13245/j.hust.230413.F006图6不同工艺参数下的显微组织为了评价成形试样的导电率，进而获得高导电率的工艺参数，采用激光功率为290~410 W、扫描速度为600~1 100 mm/s、扫描间距为50~130 μm的工艺参数成形若干尺寸为12 mm×12 mm×6 mm的方块，同时进行致密度与导电率测试，测试结果如表2所示,表2中的导电率为国际退火铜标准导电率的百分比(下同)．在不同激光功率、扫描速度、扫描间距下，致密度与导电率的变化趋势一致．例如在不同激光功率下，当致密度从93.39%增加到98.71%时，导电率从(21.92% ± 0.10%)IACS值增加到(25.01% ± 0.06%)IACS值，表明通过增加零件致密度可改善导电性能．实际上，高致密度意味着试样内部具有更少的孔洞数量，实际体积增加，有利于自由电子的运动，使导电率提升．从导电率测试结果可以看出，SLM成形的具有最大致密度的CuCrZr合金导电率不超过26% IACS值，仍远远不能满足感应加热线圈的导电性能需求．10.13245/j.hust.230413.T002表2SLM成形CuCrZr试样的致密度与导电率工艺参数致密度/%导电率/%激光功率/W29093.3921.92 ± 0.1032095.8023.56 ± 0.1435096.8324.09 ±0.1438097.4824.54 ± 0.1241097.8324.64 ± 0.13扫描速度/(mm∙s-1)60098.7125.01 ± 0.0670098.0224.6 ± 0.0680098.1124.58 ± 0.0390098.1524.64 ± 0.091 00097.5624.46 ± 0.071 10097.2524.05 ± 0.07扫描间距/μm5098.5625.29 ± 0.037098.6825.46 ± 0.039098.6225.47 ± 0.0711098.1725.09 ± 0.0413097.4424.56 ± 0.042.2　热处理工艺对CuCrZr导电率的影响图7为各项因素对电阻率的贡献．将SLM成形的CuCrZr合金进行固溶热处理，导电率结果如图7(a)所示．在800 ℃下固溶2 h，CuCrZr导电率提升了3.45倍，达到(88.96%±0.26%)IACS值，可满足感应线圈80% IACS值的使用要求．10.13245/j.hust.230413.F007图7各项因素对电阻率的贡献SLM成形CuCrZr合金的导电率受到诸多因素的影响，由于导电率是电导率与某一标准的比值，电阻率和电导率呈互为倒数关系，因而可采用电阻率评价导电率．根据Mattiessen定律，金属的电阻率主要来自由晶界、位错等晶体缺陷及合金元素的固溶与析出产生的电子散射的作用[14]．对于SLM成形的CuCrZr合金，总电阻率可以分解为溶质原子、析出相、位错及晶界的散射引起的电阻率4部分．其中，溶质原子引起的固溶体电阻率[15]Δρss=ΔρatomΔxx, (1)式中：Δρatom/Δx为每添加1.0%原子百分比的溶质原子时基体电阻率的增加量，Cr元素的取值为33 nΩ∙m[16]；x为铜基体中的溶质原子百分比含量．根据前面所述的元素质量分数，可以算出CuCrZr粉末的Cr的原子百分比为0.611%~1.828%，考虑到SLM及热处理后不可避免地造成部分Cr原子析出，这里取为0.4%．析出相引起的电阻率Δρp[17]为Δρp=ρtotal-ρm, (2)式中：f为析出相的体积分数，由SEM照片统计计算；ρm为包含晶界、位错、溶质原子等因素的基体电阻率；ρtotal为总电阻率，根据导电率结果计算，结果见表3．又有1ρtotal=1ρm1-23f. (3)10.13245/j.hust.230413.T003表3影响热处理前后试样导电率的参数样品类型SLMed(打印态)800 ℃下固溶2 h导电率/%21.8284.77ρtotal/(nΩ∙m)79.01620.339α/(1013m-2)0.261.57f/%6.3715.37位错引起的电阻率[18]为Δρdis=KSDα, (4)式中：KSD为比位错电阻率，取2.0×10-25 Ω∙m3 [19]；α为位错密度．采用Williamson-Hall方法粗略估计合金中的α．先从测试所得的XRD(X射线衍射)数据中获得衍射峰角和半峰宽数据，然后由式(5)拟合出微观应变ε，如图7(b)所示，图中：SLMed为0.085 4，800℃保温2 h为0.030 1．有βcos(θ)=Kλ/d+4εsin(θ), (5)式中：β为半峰宽；θ为布拉格角；K为常数；λ为X射线辐射波长；d为晶粒尺寸．又有α=23ε/(db), (6)式中b为伯氏矢量值，取0.255 nm．根据式(6)计算得到位错密度，结果见表3．晶界引起的电阻率[17]为ΔρGB=23SVKSGB, (7)式中：KSGB为比晶界电阻率，取2.04×10-16 Ω∙m2 [20]；S为晶界表面积；V为晶界体积．根据式(1)~(7)及表3的结果，计算各项因素对热处理前后成形的CuCrZr电阻率的贡献，如表4所示．10.13245/j.hust.230413.T004表4各项因素对电阻率的贡献百分比电阻率因素SLMed800 ℃下固溶2 h溶质原子散射16.7164.90析出相散射4.2510.25位错散射0.000.02晶界散射79.0424.83%各因素对热处理后的CuCrZr电阻率的贡献与热处理前有较大的差别．热处理前，合金的晶界散射的贡献最大；热处理后，溶质原子散射的贡献得到提升，晶界散射的贡献下降，说明溶质原子更多地固溶进合金基体中，基体晶粒长大、粗化使晶界数量减少．上述分析表明：SLM和热处理过程对CuCrZr导电率的影响是通过调控合金元素和晶界数量来实现的．SLM过程的快速凝固使合金元素来不及析出，主要以固溶体的形式存在，晶粒细小，晶界数量多．晶界散射对自由电子的阻碍，造成成形试样的低导电率．热处理能提高溶质原子的溶解度，但是铜基体的溶解度有限，加上晶粒开始长大，晶界数量减少导致晶界散射作用减弱，使合金的导电率提升．2.3　热处理后的导电性能与力学性能进一步扩大热处理的温度范围，测试样品的导电率与拉伸性能，结果如图8所示．CuCrZr合金的导电率随热处理温度升高先增加后降低，在800 ℃处达到最大值(88.96% ± 0.26%)IACS值；而极限抗拉强度(UTS)随热处理温度升高而降低，在500 ℃时取得最大值496.87 MPa．通过热处理可以改变合金元素在基体中的存在形式．10.13245/j.hust.230413.F008图8导电率与抗拉强度随热处理温度变化的关系一方面，在SLM成形及热处理后，CuCrZr合金中溶质原子Cr和Zr固溶进铜基体中，形成固溶体相，引发对电子的散射作用，是降低铜合金导电性能的主要因素．合金基体中固溶元素的含量越多，对电子的散射作用就越强，导电率越低[12]．另一方面，图9的SEM结果表明：随着热处理温度升高，溶质元素从基体中析出，发生集聚并生长，形成析出相A；通过减小固溶体数量、弱化对电子的散射作用，改善合金的导电性能．然而，在500 ℃以后，固溶体的减少导致固溶强化与析出强化效应减弱，使UTS下降[21]．因此，在500~600 ℃处，CuCrZr合金能得到较好的导电性能和力学性能，可避免析出相的过度生长与分布的不均匀性．10.13245/j.hust.230413.F009图9试样在成形与不同热处理温度下的微观组织表5对比了本研究与文献报道的CuCrZr合金的UTS和导电率，结果显示：SLM成形的CuCrZr合金与传统工艺制造的导电率相当，但UTS较低．西安铂力特公司报道的CuCrZr合金的UTS可达545 MPa[22]．SLM成形的CuCrZr合金的抗拉强度(498 MPa)略低于传统制造(铸造、冷轧等)的同类合金(600 MPa)．这可能是由于SLM冷却速度快，Cu合金的固溶效果不如传统制造，导致固溶强化贡献没有传统制造高；另外，二者使用的材料成分与元素含量略有差异，且传统制造过程在热处理过程同时进行了塑性变形[23]．可以通过进一步提高致密度、SLM成形后进行塑性变形(拉拔、挤压等工艺)及在SLM过程中引入磁场、超声波等能量降低凝固速度等方法弥补这种性能差距．10.13245/j.hust.230413.T005表5CuCrZr合金力学性能与导电率对比[24-27]零件状态UTS值/MPa导电率/%SLMed23124.17SLM+430 ºC热处理49768.89SLM+480 ºC热处理48565.23SLM+600 ºC热处理34783.20SLM+700 ºC热处理36079.61SLM+800 ºC热处理33777.17SLM+900 ºC热处理31558.52绿光SLM+500 ºC热处理47081.00铸造+冷变形+热处理49187.90铸造+旋锻+热处理61289.70铸造+热轧+热处理54078.00SLM技术可克服CuCrZr感应线圈在传统制造中难以成形结构复杂的零件的难题，并通过复杂部件的结构和工艺再设计，提升设计速度、优化力学结构，同时没有损失导电率，具有足够的力学强度．2.4　感应加热线圈设计、制造与测试由于感应加热线圈外形经过长期使用的合理验证,因此本研究在保持原有外形的基础上，对感应加热线圈进行内流道优化，使之适合增材制造．为了确认感应线圈内流道是否满足设计要求，通过Fluent软件进行模拟分析．根据工况要求，两个入口设置为压力入口，水压为1 MPa，出口设置为压力出口，压力为环境大气压强．获得压力云图和速度流线分布结果如图10所示．结果表明：水流平均流速为9.98 m/s，但由于感应加热部分内部流道经过2次90°流向改变，水流流速产生巨大变化，最高可达31.34 m/s．出口平均体积流量为23.83 L/min．然而，感应线圈体积流速实测值为15 L/min，比仿真结果低37%，也比传统制造线圈的流量低．通过切开SLM打印的感应加热线圈的内部，可发现内流道的壁面光滑平整，粗糙度接近外表面的水平，无明显内部成形缺陷．10.13245/j.hust.230413.F010图10仿真结果前述分析表明，SLM成形的CuCrZr合金的性能由工艺参数和热处理过程同时决定．因此，为保证感应加热线圈的导电性能要求，本研究在满足导电率要求的前提下选择SLM工艺和热处理参数，确定SLM参数为激光功率400 W，扫描速度900 mm/s，扫描间距110 μm，热处理温度600 ℃．图11所示为CuCrZr感应加热线圈SLM成形流程，成行流程为原件→逆向建模→数据处理→SLM成形→零件后处理→测试使用．10.13245/j.hust.230413.F011图11制造流程示意图最后，对SLM成形后的感应加热线圈进行测试．对比三维模型基准数据和三维扫描仪逆向建模的数据，发现整体偏差大部分在±0.2 mm以内．选取如图12(a)分布的6个点进行导电率测试，结果如图12(b)所示，每个点的导电率都在80%~90% IACS值之间，平均值为82.80% IACS值，导电率在整体上优于原件，证明感应加热线圈导电性能满足设计要求．另外，感应线圈经过多次迭代后，水流量测试结果为19.5 L/min．10.13245/j.hust.230413.F012图12感应线圈的导电率综上所述，SLM成形的CuCrZr感应加热线圈满足导电率超过80% IACS值与冷却水流量达到19.5 L/min，通过SLM技术一体化制造CuCrZr感应加热线圈具有可行性．3 结论a．由于高激光反射率和高导热特性，因此CuCrZr合金的成形致密度最高达到99.34%，导电率达到26%IACS值，增大激光功率，降低扫描速度，有利于改善成形质量，同时提高导电性能．b．800 ℃下2 h热处理后CuCrZr合金的导电率从20% IACS值左右上升到(88.96% ± 0.26%) IACS值．SLM过程的快速凝固使合金元素来不及析出，主要以固溶体的形式存在，在固溶处理后，溶质原子更多地固溶进合金基体中，基体晶粒长大、粗化使晶界数量减少，使得导电率获得提升．c．CuCrZr合金元素的析出能够同时提高导电率与抗拉强度，在500 ℃~600 ℃左右进行热处理，合金的抗拉强度与导电率分别达到475 MPa，80% IACS值，但是要避免析出相的过度生长与分布的不均匀性．d．SLM技术可以直接制造感应加热线圈，热处理后平均导电率为82.80% IACS值，冷却水流量达到19.5 L/min，主要指标满足应用要求．