摘要：通过激光定向能量沉积成功制备了铜 - 钽（Cu-Ta）和铜 - 钽 - 钛（Cu-Ta-Ti）沉积合金。在存在氧杂质和高冷却速率的条件下，证实了铜 - 钽合金中发生了偏晶反应。在铜 - 钽 - 钛合金中加入钛元素，促进了从非共格的铜 / 钽（Cu/Ta）界面向

长三角G60激光联盟陈长军导读

通过激光定向能量沉积成功制备了铜 - 钽（Cu-Ta）和铜 - 钽 - 钛（Cu-Ta-Ti）沉积合金。在存在氧杂质和高冷却速率的条件下，证实了铜 - 钽合金中发生了偏晶反应。在铜 - 钽 - 钛合金中加入钛元素，促进了从非共格的铜 / 钽（Cu/Ta）界面向半共格的铜 /β-Cu₃Ti / 钽（Cu/β-Cu₃Ti/Ta）界面的转变，有利于位错穿过界面。此外，固溶强化和沉淀强化使铜 - 钽 - 钛沉积合金兼具优异的强度和延展性，该合金的抗拉强度为 744±8 兆帕，屈服强度为 577±12 兆帕，总伸长率为 9.9±0.3%。

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【背景】

众所周知，铜 - 钽合金在核电和航空航天等工业领域（如核聚变反应堆和燃烧室衬里）有着巨大的潜在应用价值。与铜 - 铌（Cu-Nb）体系类似，铜与钽是不互溶的。C. Allibert 对铜 - 铌体系的相图进行了研究，发现铜 - 铌合金中仅发生共晶反应，这与铜 - 钽合金的情况相同。然而，J. D. Verhoeven 提供的证据表明，由于氧杂质和高冷却速率，铜 - 铌合金中会发生偏晶反应。因此，鉴于钽的物理化学性质与铌相似，可以合理推测氧杂质和高冷却速率会促使铜 - 钽合金中发生偏晶反应，但这一假设尚未得到验证。

另一方面，已有研究表明，铜 / 钽界面是非共格的，位错无法穿过该界面，因此位错会存储在非共格界面处，这导致铜 - 钽合金的总伸长率较低。

在本研究中，作为增材制造技术之一的激光定向能量沉积（LDED）被用于制备铜 - 钽沉积合金。该技术利用高能激光束熔化沉积材料，实现复杂金属零件的成型。激光定向能量沉积的冷却速率相对较高（10³–10⁵ K/s），且该过程在空气环境中进行，这使得铜 - 钽合金中有可能发生偏晶反应。同时，选择了在液相中与钽无限互溶且能与铜形成化合物的钛元素加入到铜 - 钽合金中，以优化铜 / 钽界面，从而提高铜 - 钽合金的总伸长率。

【图文】

钽（75–150 微米）和铜铬锆（CuCrZr）或铜钛铬锆（CuTiCrZr）（38–75 微米）粉末被用作原材料。激光定向能量沉积系统由一台 20 千瓦的光纤激光器、一个自行设计的激光头和一个可满足两种不同粉末输送的送粉器组成。制备铜 - 钽沉积合金的优化工艺参数为：激光功率在 12–16 千瓦范围内，激光扫描速度为 1500 毫米 / 分钟，钽粉送粉速率为 6 克 / 分钟，铜铬锆和铜钛铬锆粉送粉速率为 14 克 / 分钟。

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1. (a) 沉积合金的 XRD 衍射图谱，(b) 和 (c) 分别为铜 - 钽和铜 - 钽 - 钛沉积合金的SEM-BSE 图像

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2. (a) 和 (f) 分别为铜 -钽和铜 - 钽 - 钛沉积合金的 HAADF 图像。(b–e) 为图 (a) 中区域 A 的铜、钽、铬和锆元素相应的 EDS 图谱。(g–k) 为图 (f) 中铜、钽、钛、铬和锆元素相应的 EDS 图谱。(l) 为相界面的 SAED 图谱

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3. (a) 和 (d) 为显示铜/β-Cu

₃Ti / 钽界面结构的 HRTEM 图像。(b) 和 (e) 分别为图 (a) 中区域 b 和图 (d) 中区域 e 相应的 FFT 图谱。(c) 和 (f) 分别为相应的模拟衍射图谱

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4. (a) 拉伸工程应力 - 应变曲线。(b) 已报道文献中铜 - 钽合金的力学性能比较

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5. (a) 显示铜 - 钽 - 钛沉积合金中 β′-Cu

₄Ti 沉淀相的 HRTEM 图像。(b) 为图 (a)中区域 A 相应的 FFT 图谱。(c) 为图 (a) 中区域 B 相应的 FFT 图谱

【结论】

总之，通过激光定向能量沉积成功制备了铜 - 钽和铜 - 钽 - 钛沉积合金。证实了在氧杂质和高冷却速率条件下，铜 - 钽合金中会发生偏晶反应。此外，在铜 - 钽 - 钛合金中加入钛元素促进了从非共格的铜 / 钽界面向半共格的铜 /β-Cu₃Ti / 钽界面的转变，有利于位错穿过界面。最终，铜 - 钽 - 钛沉积合金展现出了优异的强度和延展性平衡。

来自：铜加工研究

长三角G60激光联盟陈长军转载

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来源：江苏激光联盟