銅及銅合金是一類(lèi)有重要應用的關(guān)鍵材料。
由于具有優(yōu)良的導熱、導電、延展、耐腐蝕等特性，銅在航空航天、武器裝備某些應用場(chǎng)合是必選材料。在增材制造中，銅材料應用較晚，但近年來(lái)呈現快速發(fā)展趨勢，尤其國防軍工領(lǐng)域銅合金增材制造應用不斷取得重要進(jìn)展，更促進(jìn)了銅材料增材制造的發(fā)展。近兩年增材制造行業(yè)能夠明顯感受到銅合金需求的增長(cháng)，不斷有新用戶(hù)著(zhù)手開(kāi)發(fā)銅合金增材制造應用，材料也從早期易于成型的鑄造錫青銅轉向純銅和各類(lèi)高強高導銅。
有研究報告稱(chēng)，2019-2027年期間，全球銅增材制造市場(chǎng)將以51%的年復合增長(cháng)率增長(cháng)。盡管當前銅合金打印還存在諸多工藝和材料問(wèn)題，但可以預見(jiàn)，銅在金屬增材制造中將占有一席之地。
目前許多國外知名增材制造廠(chǎng)家已經(jīng)將銅材料納入到自己的產(chǎn)品目錄當中。比較有代表性的是EOS在2020年公布了純Cu和CuCrZr的數據手冊，2021年又推出兩類(lèi)材料的AMCM（EOS旗下子公司，生產(chǎn)定制設備，Additive Manufacturing Customized Machine）版本。
SLM Solutions陸續上線(xiàn)CuSn10、CuCrZr產(chǎn)品數據，2019年該公司推出兼顧強度和導電導熱性的CuNi2SiCr產(chǎn)品，可用于模具和電氣領(lǐng)域，成為增材制造銅合金材料中一項重磅產(chǎn)品。
材料廠(chǎng)家TLS Technik、m4p、Sandvik、Makin等公司都公布有自己的增材制造銅合金產(chǎn)品。目前增材制造用銅及銅合金材料集中于純Cu、CuSn10、CuCrZr和CuNi2SiCr，雖然CuNiSn、CuCr、CuCrNb、CuAlFeNi等材料也有相關(guān)增材制造研究與應用，但應用程度還不及前四類(lèi)產(chǎn)品。
有研粉末新材料股份有限公司（簡(jiǎn)稱(chēng)“有研粉材”，股票代碼 688456）是國內最大的銅粉供應商，年銷(xiāo)售各類(lèi)銅及銅合金粉末超3萬(wàn)噸，旗下子公司北京康普錫威在國內較早開(kāi)展了增材制造用銅及銅合金粉末的研究與應用，目前已形成較全系列的增材制造專(zhuān)用銅及銅合金粉末產(chǎn)品，包括純Cu、CuSn10、CuCrZr、CuNi2SiCr、CuAlFeNi等，在航空航天、模具、電氣等領(lǐng)域取得了重要應用。
純Cu
相對于銅合金，純Cu的優(yōu)勢是其導電和導熱性，因為各類(lèi)銅合金在銅中添加元素后必然會(huì )損失導電導熱。由于純銅在常規1064nm波長(cháng)即所謂紅光波長(cháng)下吸收率較低，不易實(shí)現致密，因此純Cu打印一直是一個(gè)難題。
目前的解決方法一是利用短波長(cháng)激光，如TRUMPF的515nm綠光激光設備，另一個(gè)是提高功率，如EOS的AMCM設備搭載了1Kw激光器用于純銅打印。無(wú)論是哪種類(lèi)型設備打印，想要獲得高致密度或者說(shuō)高導電導熱純銅制件都需要原料粉末保持高純凈度的同時(shí)還具有更易實(shí)現致密化的粉末特性，如粒徑分布合理，流動(dòng)性好，松裝密度高等特點(diǎn)。就純銅粉末制備而言，保持材料高純度同時(shí)保持高球形度是追求目標。
CuSn10
CuSn10作為一種鑄造錫青銅易于成型，很多涉及銅材料的模型或工藝品打印選用CuSn10材料。CuSn10合金強度較高，耐磨和耐腐蝕性能優(yōu)良，可以用于制造葉片、齒輪等耐磨零件，但其導電導熱性能不高，因此對于有導電或導熱要求一般不選用CuSn10。CuSn10屬于目前增材制造銅合金材料中的常規產(chǎn)品。
CuCrZr
火箭發(fā)動(dòng)機是銅合金的典型應用場(chǎng)景。發(fā)動(dòng)機內襯及相關(guān)零部件材料要求極高，一方面由于燃燒室燃燒溫度極高（超過(guò)3000℃），另一方面高溫高壓及高速燃氣對材料有很強的侵蝕。CuCr合金是一種典型的沉淀強化型銅合金，而Zr元素的加入可以促進(jìn)Cr相析出，改善析出相分布，同時(shí)Zr與Cu形成的銅鋯化合物可起到沉淀強化的作用，因此CuCrZr合金力學(xué)性能優(yōu)異，可以用于火箭發(fā)動(dòng)機零部件制造。近年來(lái)國內航天單位圍繞火箭發(fā)動(dòng)機推力室零件的增材制造開(kāi)展了較多研究和開(kāi)發(fā)工作，CuCrZr是當前可選材料。值得一提的是，火箭發(fā)動(dòng)機零件用銅合金材料仍在不斷更新迭代之中，CuZr、CuCr、CuAgZr、CuCrNb等材料陸續都有應用研究，尤其是美國NASA正在進(jìn)行增材制造驗證的GRcop-42（Cu-4Cr-2Nb at%），有望將火箭發(fā)動(dòng)機燃燒室材料提升至新的等級。
CuNi2SiCr
率先將該材料用于增材制造并開(kāi)展了材料鑒定和參數驗證工作，為增材制造銅合金家族增加了一項重要成員。CuNi2SiCr熱處理后的強度明顯高于CuCrZr等材料，同時(shí)還能保持一定的導熱率和導電率，已經(jīng)能夠滿(mǎn)足部分模具制造要求和導電件要求，因此在模具和電氣領(lǐng)域將有重要應用。
相對于如鈦、鋁、高溫合金等產(chǎn)品，銅及銅合金的增材制造還不成熟。EOS自2019年為材料產(chǎn)品引入類(lèi)似技術(shù)儲備水平（TRL，Technology Readiness Level）的概念，目前兩類(lèi)銅材料標記為3級，屬于驗證通過(guò)水平，而IN718、AlSi10Mg等產(chǎn)品一般為7-9級。現階段增材制造已經(jīng)從模型驗證逐漸轉向產(chǎn)品制造，增材制造材料將進(jìn)入根據應用選擇或設計材料的階段，銅及銅合金材料的更新迭代體現更為明顯。可以預見(jiàn)隨著(zhù)工藝和材料的不斷進(jìn)步，銅材料的增材制造應用將會(huì )提升至一個(gè)新的水平。