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【材料學(xué)堂】增材制造用銅及銅合金材料發(fā)展現(xiàn)狀概述

2021-11-12 10:10:01 作者：材料學(xué)網(wǎng) 來(lái)源：材料學(xué)網(wǎng) 分享至：

銅及銅合金是一類有重要應(yīng)用的關(guān)鍵材料。由于具有優(yōu)良的導(dǎo)熱、導(dǎo)電、延展、耐腐蝕等特性，銅在航空航天、武器裝備某些應(yīng)用場(chǎng)合是必選材料。在增材制造中，銅材料應(yīng)用較晚，但近年來(lái)呈現(xiàn)快速發(fā)展趨勢(shì)，尤其國(guó)防軍工領(lǐng)域銅合金增材制造應(yīng)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(zhǎng)，不斷有新用戶著手開(kāi)發(fā)銅合金增材制造應(yīng)用，材料也從早期易于成型的鑄造錫青銅轉(zhuǎn)向純銅和各類高強(qiáng)高導(dǎo)銅。有研究報(bào)告稱，2019-2027年期間，全球銅增材制造市場(chǎng)將以51%的年復(fù)合增長(zhǎng)率增長(zhǎng)。盡管當(dāng)前銅合金打印還存在諸多工藝和材料問(wèn)題，但可以預(yù)見(jiàn)，銅在金屬增材制造中將占有一席之地。

2020年按市場(chǎng)分布的銅粉出貨量占比（公斤）（來(lái)源：SmarTech）

目前許多國(guó)外知名增材制造廠家已經(jīng)將銅材料納入到自己的產(chǎn)品目錄當(dāng)中。比較有代表性的是EOS在2020年公布了純Cu和CuCrZr的數(shù)據(jù)手冊(cè)，2021年又推出兩類材料的AMCM（EOS旗下子公司，生產(chǎn)定制設(shè)備，Additive Manufacturing Customized Machine）版本。SLM Solutions陸續(xù)上線CuSn10、CuCrZr產(chǎn)品數(shù)據(jù)，2019年該公司推出兼顧強(qiáng)度和導(dǎo)電導(dǎo)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(xiàng)重磅產(chǎn)品。材料廠家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(yīng)用，但應(yīng)用程度還不及前四類產(chǎn)品。有研粉末新材料股份有限公司（簡(jiǎn)稱“有研粉材”，股票代碼 688456）是國(guó)內(nèi)最大的銅粉供應(yīng)商，年銷售各類銅及銅合金粉末超3萬(wàn)噸，旗下子公司北京康普錫威在國(guó)內(nèi)較早開(kāi)展了增材制造用銅及銅合金粉末的研究與應(yīng)用，目前已形成較全系列的增材制造專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(yīng)用。

1、純Cu

相對(duì)于銅合金，純Cu的優(yōu)勢(shì)是其導(dǎo)電和導(dǎo)熱性，因?yàn)楦黝愩~合金在銅中添加元素后必然會(huì)損失導(dǎo)電導(dǎo)熱。由于純銅在常規(guī)1064nm波長(zhǎng)即所謂紅光波長(zhǎng)下吸收率較低，不易實(shí)現(xiàn)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(zhǎng)激光，如TRUMPF的515nm綠光激光設(shè)備，另一個(gè)是提高功率，如EOS的AMCM設(shè)備搭載了1Kw激光器用于純銅打印。無(wú)論是哪種類型設(shè)備打印，想要獲得高致密度或者說(shuō)高導(dǎo)電導(dǎo)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(xiàn)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(biāo)。

2、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(qiáng)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(dǎo)電導(dǎo)熱性能不高，因此對(duì)于有導(dǎo)電或?qū)嵋笠话悴贿x用CuSn10。CuSn10屬于目前增材制造銅合金材料中的常規(guī)產(chǎn)品。

3、CuCrZr

火箭發(fā)動(dòng)機(jī)是銅合金的典型應(yīng)用場(chǎng)景。發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)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?xì)鈱?duì)材料有很強(qiáng)的侵蝕。CuCr合金是一種典型的沉淀強(qiáng)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(qiáng)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(jī)零部件制造。近年來(lái)國(guó)內(nèi)航天單位圍繞火箭發(fā)動(dòng)機(jī)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(dāng)前可選材料。值得一提的是，火箭發(fā)動(dòng)機(jī)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(xù)都有應(yīng)用研究，尤其是美國(guó)NASA正在進(jìn)行增材制造驗(yàn)證的GRcop-42（Cu-4Cr-2Nb at%），有望將火箭發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室材料提升至新的等級(jí)。

4、CuNi2SiCr

SLM Solutions公司于2019年推出CuNi2SiCr銅合金材料產(chǎn)品，該材料是一種可熱處理硬化合金，具有高強(qiáng)度以及電導(dǎo)率和導(dǎo)熱率的平衡組合，同時(shí)合金中包括鎳和硅成分，具有很高的耐腐蝕性和耐磨性。CuNi2SiCr本身不是一個(gè)新成分，該材料對(duì)應(yīng)美標(biāo)C18000合金，SLM Solutions公司率先將該材料用于增材制造并開(kāi)展了材料鑒定和參數(shù)驗(yàn)證工作，為增材制造銅合金家族增加了一項(xiàng)重要成員。CuNi2SiCr熱處理后的強(qiáng)度明顯高于CuCrZr等材料，同時(shí)還能保持一定的導(dǎo)熱率和導(dǎo)電率，已經(jīng)能夠滿足部分模具制造要求和導(dǎo)電件要求，因此在模具和電氣領(lǐng)域?qū)⒂兄匾獞?yīng)用。

END

相對(duì)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)品引入類似技術(shù)儲(chǔ)備水平（TRL，Technology Readiness Level）的概念，目前兩類銅材料標(biāo)記為3級(jí)，屬于驗(yàn)證通過(guò)水平，而IN718、AlSi10Mg等產(chǎn)品一般為7-9級(jí)。現(xiàn)階段增材制造已經(jīng)從模型驗(yàn)證逐漸轉(zhuǎn)向產(chǎn)品制造，增材制造材料將進(jìn)入根據(jù)應(yīng)用選擇或設(shè)計(jì)材料的階段，銅及銅合金材料的更新迭代體現(xiàn)更為明顯。可以預(yù)見(jiàn)隨著工藝和材料的不斷進(jìn)步，銅材料的增材制造應(yīng)用將會(huì)提升至一個(gè)新的水平。

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