【材料学堂】增材制造用铜及铜合金材料发展现状概述

2021-11-12 10:10:01 作者：材料学网来源：材料学网分享至：

铜及铜合金是一类有重要应用的关键材料。由于具有优良的导热、导电、延展、耐腐蚀等特性，铜在航空航天、武器装备某些应用场合是必选材料。在增材制造中，铜材料应用较晚，但近年来呈现快速发展趋势，尤其国防军工领域铜合金增材制造应用不断取得重要进展，更促进了铜材料增材制造的发展。近两年增材制造行业能够明显感受到铜合金需求的增长，不断有新用户着手开发铜合金增材制造应用，材料也从早期易于成型的铸造锡青铜转向纯铜和各类高强高导铜。有研究报告称，2019-2027年期间，全球铜增材制造市场将以51%的年复合增长率增长。尽管当前铜合金打印还存在诸多工艺和材料问题，但可以预见，铜在金属增材制造中将占有一席之地。

2020年按市场分布的铜粉出货量占比（公斤）（来源：SmarTech）

目前许多国外知名增材制造厂家已经将铜材料纳入到自己的产品目录当中。比较有代表性的是EOS在2020年公布了纯Cu和CuCrZr的数据手册，2021年又推出两类材料的AMCM（EOS旗下子公司，生产定制设备，Additive Manufacturing Customized Machine）版本。SLM Solutions陆续上线CuSn10、CuCrZr产品数据，2019年该公司推出兼顾强度和导电导热性的CuNi2SiCr产品，可用于模具和电气领域，成为增材制造铜合金材料中一项重磅产品。材料厂家TLS Technik、m4p、Sandvik、Makin等公司都公布有自己的增材制造铜合金产品。目前增材制造用铜及铜合金材料集中于纯Cu、CuSn10、CuCrZr和CuNi2SiCr，虽然CuNiSn、CuCr、CuCrNb、CuAlFeNi等材料也有相关增材制造研究与应用，但应用程度还不及前四类产品。有研粉末新材料股份有限公司（简称“有研粉材”，股票代码 688456）是国内最大的铜粉供应商，年销售各类铜及铜合金粉末超3万吨，旗下子公司北京康普锡威在国内较早开展了增材制造用铜及铜合金粉末的研究与应用，目前已形成较全系列的增材制造专用铜及铜合金粉末产品，包括纯Cu、CuSn10、CuCrZr、CuNi2SiCr、CuAlFeNi等，在航空航天、模具、电气等领域取得了重要应用。

1、纯Cu

相对于铜合金，纯Cu的优势是其导电和导热性，因为各类铜合金在铜中添加元素后必然会损失导电导热。由于纯铜在常规1064nm波长即所谓红光波长下吸收率较低，不易实现致密，因此纯Cu打印一直是一个难题。目前的解决方法一是利用短波长激光，如TRUMPF的515nm绿光激光设备，另一个是提高功率，如EOS的AMCM设备搭载了1Kw激光器用于纯铜打印。无论是哪种类型设备打印，想要获得高致密度或者说高导电导热纯铜制件都需要原料粉末保持高纯净度的同时还具有更易实现致密化的粉末特性，如粒径分布合理，流动性好，松装密度高等特点。就纯铜粉末制备而言，保持材料高纯度同时保持高球形度是追求目标。

2、CuSn10

CuSn10作为一种铸造锡青铜易于成型，很多涉及铜材料的模型或工艺品打印选用CuSn10材料。CuSn10合金强度较高，耐磨和耐腐蚀性能优良，可以用于制造叶片、齿轮等耐磨零件，但其导电导热性能不高，因此对于有导电或导热要求一般不选用CuSn10。CuSn10属于目前增材制造铜合金材料中的常规产品。

3、CuCrZr

火箭发动机是铜合金的典型应用场景。发动机内衬及相关零部件材料要求极高，一方面由于燃烧室燃烧温度极高（超过3000℃），另一方面高温高压及高速燃气对材料有很强的侵蚀。CuCr合金是一种典型的沉淀强化型铜合金，而Zr元素的加入可以促进Cr相析出，改善析出相分布，同时Zr与Cu形成的铜锆化合物可起到沉淀强化的作用，因此CuCrZr合金力学性能优异，可以用于火箭发动机零部件制造。近年来国内航天单位围绕火箭发动机推力室零件的增材制造开展了较多研究和开发工作，CuCrZr是当前可选材料。值得一提的是，火箭发动机零件用铜合金材料仍在不断更新迭代之中，CuZr、CuCr、CuAgZr、CuCrNb等材料陆续都有应用研究，尤其是美国NASA正在进行增材制造验证的GRcop-42（Cu-4Cr-2Nb at%），有望将火箭发动机燃烧室材料提升至新的等级。

4、CuNi2SiCr

SLM Solutions公司于2019年推出CuNi2SiCr铜合金材料产品，该材料是一种可热处理硬化合金，具有高强度以及电导率和导热率的平衡组合，同时合金中包括镍和硅成分，具有很高的耐腐蚀性和耐磨性。CuNi2SiCr本身不是一个新成分，该材料对应美标C18000合金，SLM Solutions公司率先将该材料用于增材制造并开展了材料鉴定和参数验证工作，为增材制造铜合金家族增加了一项重要成员。CuNi2SiCr热处理后的强度明显高于CuCrZr等材料，同时还能保持一定的导热率和导电率，已经能够满足部分模具制造要求和导电件要求，因此在模具和电气领域将有重要应用。

END

相对于如钛、铝、高温合金等产品，铜及铜合金的增材制造还不成熟。EOS自2019年为材料产品引入类似技术储备水平（TRL，Technology Readiness Level）的概念，目前两类铜材料标记为3级，属于验证通过水平，而IN718、AlSi10Mg等产品一般为7-9级。现阶段增材制造已经从模型验证逐渐转向产品制造，增材制造材料将进入根据应用选择或设计材料的阶段，铜及铜合金材料的更新迭代体现更为明显。可以预见随着工艺和材料的不断进步，铜材料的增材制造应用将会提升至一个新的水平。

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