铜（Cu）及其合金凭借其卓越的耐久性、延展性和导电性，在众多技术领域中得到了广泛应用。在传统工艺中，铜合金零件主要通过铸造和减材制造方法生产，这些方法不仅限制了零件的几何复杂性，还容易导致材料浪费。随着增材制造技术的快速发展，激光粉末床熔融（Laser Powder Bed Fusion, L-PBF）技术因其独特的快速冷却特性而备受关注。L-PBF的快速冷却速率能够形成独特的微观结构，从而显著提升L-PBF铜合金部件的力学性能。

在众多铜合金中，铜锡（Cu-Sn）合金因其优异的强度、延展性、耐磨性和耐腐蚀性成为研究热点。在L-PBF技术制造Cu-Sn合金的过程中，快速冷却能够促使细小的δ相（富锡的面心立方相）形成，这种相的存在显著提升了合金的力学性能。然而，目前对于L-PBF过程中δ相的形成机制及其对力学性能的影响仍缺乏深入理解。传统上，δ相常被视为Cu-Sn合金中的有害相，但在L-PBF工艺中，其独特的形态和分布特征可能对合金性能产生显著的积极影响。

在此背景下，悉尼大学的研究团队通过系统的实验设计、微观结构表征和力学性能测试，深入研究了激光粉末床熔融技术制造的Cu-10Sn合金中富锡δ相的形成机制及其对性能的影响。通过优化激光粉末床熔化（L-PBF）技术的工艺参数，团队成功制备出了高致密度的Cu-10Sn合金样品。并借助X射线衍射（XRD）、电子背散射衍射（EBSD）、透射电子显微镜（TEM）和原子探针断层扫描（APT）等先进表征技术，详细分析了样品的微观结构，揭示了δ相在熔池边界和内部的不同形态和分布特征：在熔池边界，较慢的凝固速率导致形成与细小α(Cu)晶粒交错分布的较大且形状不规则的富锡δ相；在熔池内部，快速凝固条件下则形成了亚微米级、球形且分散的富锡δ相，并伴随更粗大的α(Cu)柱状晶粒。结合差示扫描量热法（DSC）和计算流体动力学（CFD）模拟，团队提出了从富锡亚稳相（如Cu₅.₆Sn）到δ相的转变路径，并验证了其在L-PBF循环加热过程中的形成机制。力学性能测试结果表明，L-PBF制备的Cu-10Sn合金的强度、韧性及耐磨性显著高于传统铸造的Cu-10Sn合金，其主要归因于细晶强化、位错强化以及δ相的弥散强化效应，颠覆了传统认为δ相为有害相的认识。此外，通过CALPHAD模拟和热力学分析，团队进一步探讨了δ相在提升合金强度和耐磨性方面的贡献机制，为优化Cu-Sn合金在汽车、航空航天和机械工业中的应用性能提供了新的理论和技术支持。

相关研究成果以题为“Formation mechanisms of Sn-rich δ phase and its role in strengthening Cu-10Sn manufactured by laser powder bed fusion”的论文发表在《Additive Manufacturing》上。

图1. 构建板上的块样品尺寸及激光扫描路径示意图。

图2. L-PBF Cu-10Sn样品的机械性能。

图3. 激光功率195W，扫描速率860 mm/s下，L-PBF制备的Cu-10Sn样品与传统铸造样品的微观结构信息， L-PBF样品（a）表层熔池的SEM图像，（b）光学显微镜图像以及（c）沿BD方向的EBSD IPF图像；（d）铸态样品的EBSD IPF图像；（e）则对应于（c）中IPF图的极图。

图4. L-PBF Cu-10Sn样品的源自探针层析成像图。