铜及铜合金在增材制造方向的研究及应用

铜及铜合金在增材制造方向的研究及应用

铜及铜合金因其优异的导电性、导热性、延展性等物理和化学性能，在工业中得到广泛应用。近年来，随着增材制造技术的发展，铜及铜合金的增材制造技术也取得了重要进展。本文将详细介绍铜及铜合金在增材制造方向的研究进展及其具体应用。

增材制造铜及铜合金的优势

铜(Cu)因具有出色的导电性、导热性、延展性、可加工性和可成形性，在工业中得到广泛应用。铜及铜合金优异的物理和化学性能，使其广泛用于制造诸多领域中的各种组件，如热交换器、推进装置、弹簧和轴承、电子连接器、塑性变形工具等。为了满足工程部件的传热增强要求，需要具有复杂形状的高导热材料，金属增材制造是一种以数字模型文件为基础，采用金属粉末材料通过逐层堆叠的方式来构造实体三维零部件的技术，可以满足铜及铜合金复杂成形的加工要求。近年来随着增材制造技术的发展，已提出了许多铜及铜合金増材制造方法，例如粉末床工艺、定向能量沉积、挤出成形、粘结剂喷射、冷喷涂和超声波增材制造等。铜及铜合金的3D打印工艺最开始选用激光粉末床打印进行探索，最常使用的是选区激光熔融 (SLM) 和电子束熔化 (EBM)技术。

SLM绿色激光打印铜粉

铜及铜合金相关增材制造技术研究

铜及铜合金对主流的SLM用激光器的波长具有很高的反射率，不仅不容易熔化，甚至有可能损伤打印机光学器件。目前，以绿光打印铜及铜合金具有高吸收率、高致密度等特点，成为铜及铜合金增材制造的主要激光方式。增材制造纯铜和铜合金材料体系包括纯铜、铜锡（CuSn）、铜铝（CuAl）、铜镍（CuNi）、铜铬锆（CuCrZr）和铜铬铌（CuCrNb）等。

图片：3D打印铜火箭发动机
来源：Launcher

图片：3D打印射频四极子
来源：Trumpf

图片：3D打印的铜火箭喷嘴衬管、无火花铜工程锤和铜电缆夹
来源：Spee3D

图片：3D打印铜散热器
来源：Markforged

图片：3D打印铜制冷却器
来源：PTZ

1. 采用选区激光熔融(SLM)技术制备高密度块体Cu-10Sn

青铜是人类已知的最古老的合金之一，除了青铜雕塑等艺术品和乐器外，青铜在各种应用中也具有重要的技术意义，包括电连接器以及高精度弹簧和轴承。此外，由于青铜具有出色的抗盐雾腐蚀性能，也被广泛用于海洋应用 。

研究人员采用选区激光熔融(SLM)技术制备了高密度块体Cu-10Sn青铜样品，室温拉伸试验表明，铸造样品的屈服强度和抗拉强度为120和180MPa，SLM加工样品的屈服强度和抗拉强度提高至220和420MPa，材料强化伴随着延展性的显著提高，延展性从7%提高到17%。这种行为可以归因于激光加工带来的高冷却速度导致的SLM材料显微组织的细化，进一步证明了SLM在生产具有增强机械性能的材料方面的有效性，最终制备了密度接近全密度 (99.7%) 的块状Cu-10Sn青铜样品。

铜锡10在SLM与铸造的区别

2. 激光定向能量沉积（LDED）的铜增材制造

LDED使用高功率激光在基板表面或先前沉积的层上产生熔池，然后在其上添加原材料（粉末或金属丝），原材料熔化并随后凝固后形成单层，将一层叠加在另一层上可以制造3D组件。

有实验表明，使用增加激光能量方案沉积的Cu块的相对密度约为99.9%，X射线衍射显示纯Cu相具有细小的晶体。此外，沉积的块状Cu结构的平均显微硬度为77HV（0.98N），屈服强度为135–152MPa，极限抗拉强度为277-288MPa。此实验数据为研究LDED工艺制造Cu零件奠定了基础。

3. 电子束熔化99.95%纯铜工艺开发及其机械物理性能

通过EBM对纯铜进行增材制造可能是较为实用、有效的技术，其原因是纯铜粉末会反射SLM机器中使用的激光波长（1000-1100nm），导致吸收率低于2%，从而导致粉末加热和熔化效率低下，研究人员发现，使用电子束对纯铜进行增材制造的吸收率约为80%，这足以有效熔化粉末并制造致密的零件，此外，EBM增材制造是在高真空条件下进行的，这可以防止对氧化物具有高亲和力的金属粉末（例如铜和钛）的氧化。实验结果显示：EBM加工样品的电导率高于58MS/m (>100IACS)，硬度约为55HV0.05和46HV5，断裂伸长率59%，最终制造样品致密度>99.5%。

4. 激光定向能量沉积(LDED)增材制造中CuCrZr合金的可加工性

激光定向能量沉积(LDED) 受零件尺寸的限制较小，可以生产具有复杂几何形状的大型部件，通过LDED工艺加工制备的CuCrZr合金为生产大型航空航天部件提供了广泛的应用。

有实验通过LDED工艺对CuCrZr合金进行多层堆积，确定了形成99.99％相对密度的关键工艺参数的适当范围为：激光功率（P）1100—2000W，送入熔池距离（F/V）的粉末量为0.003—0.016 g/mm，实现了无缺陷的近净成形多层长方体几何形状。

不同研究中CuCrZr粉末、纯Cu粉末和带有CrZr涂层的Cu粉末的吸收率

5. 选区激光熔融（SLM）制备Cu-1.8Cr-1.0Nb-2.0Fe合金

SLM技术特别适合于制造精细、复杂结构和高强度的金属零件 ，有实验以SLM制备的原位沉淀硬化Cu-1.8Cr-1.0Nb-2.0Fe铜合金为中心，全面研究了其致密化、微观组织、力学性能、强化机制等。结果表明，**工艺参数能够制备出相对密度 (RD) 为 99.98% 的近完全致密试样。

在SLM过程中，Nb(FeCr)纳米结构原位析出，产生沉淀强化，导致合金的抗拉强度提升至444MPa。时效处理后，Nb(FeCr)纳米结构的平均半径和体积分数保持不变。另一种强化相FeCrσ相的形成进一步提高了拉伸强度，使时效后试样的抗拉强度提升至498MPa。这项研究为SLM制备铜合金的原位沉淀行为提供了有价值的见解。

结 语

虽然已经有很多关于铜及铜合金在增材制造领域的研究实验，由于铜及铜合金具有高热导率、高反射率和氧化物形成趋势等热物理特性，使用AM技术加工铜及铜合金件具有挑战性，面对工业界轻量化、结构复杂化的挑战，选择合适的增材制造方法可以有效地解决这些问题。未来的研究方向包括开发新型铜及铜合金粉末、优化AM工艺、提高零件性能和降低制造成本 。

【参考文献】
[1] Leu C C. PROGRESS IN COPPER ALLOYADDITIVE MANUFACTURING TECHNOLOGY[J]. 2024.
[2] Jiang Q, Zhang P, Yu Z, et al. A review on additive manufacturing of pure copper[J]. Coatings, 2021, 11(6): 740.
[3] Scudino S, Unterdörfer C, Prashanth K G, et al. Additive manufacturing of Cu–10Sn bronze[J]. Materials Letters, 2015, 156: 202-204.
[4] Yadav S, Paul C P, Jinoop A N, et al. Laser directed energy deposition based additive manufacturing of copper: process development and material characterizations[J]. Journal of Manufacturing Processes, 2020, 58: 984-997.
[5] Guschlbauer R, Momeni S, Osmanlic F, et al. Process development of 99.95% pure copper processed via selective electron beam melting and its mechanical and physical properties[J]. Materials Characterization, 2018, 143: 163-170.
[6] Zardoshtian A, Esmaeilizadeh R, Ansari M, et al. On the Processability and Microstructural Evolution of CuCrZr in Multilayer Laser-Directed Energy Deposition Additive Manufacturing via Statistical and Experimental Methods[J]. Journal of Manufacturing and Materials Processing, 2023, 7(4): 151.
[7] Yang X, Wang Y, Zhang W, et al. Laser powder bed fusion fabricated Cu-1.8 Cr-1.0 Nb-2.0 Fe alloy with in-situ precipitation strengthening[J]. Materials Science and Engineering: A, 2023, 878: 145222.