銅及銅合金(jīn)是一類有重要應用(yòng)的關鍵材料。
由于具有優良的導熱、導電、延展、耐腐蝕等特性，銅在航空(kōng)航天、武器裝備某些(xiē)應用(yòng)場合是必選材料。在增材制造中，銅材料應用(yòng)較晚，但(dàn)近年來(lái)呈現(xiàn)快(kuài)速發展趨勢，尤其國防軍工(gōng)領域銅合金(jīn)增材制造應用(yòng)不斷取得重要進展，更促進了(le)銅材料增材制造的發展。近兩年增材制造行業能(néng)夠明(míng)顯感受到(dào)銅合金(jīn)需求的增長，不斷有新用(yòng)戶着手開(kāi)發銅合金(jīn)增材制造應用(yòng)，材料也(yě)從(cóng)早期易于成型的鑄造錫青銅轉向純銅和(hé)各類高(gāo)強高(gāo)導銅。
有研究報(bào)告稱，2019-2027年期間，全球銅增材制造市場将以51%的年複合增長率增長。盡管當前銅合金(jīn)打印還存在諸多工(gōng)藝和(hé)材料問題，但(dàn)可以預見，銅在金(jīn)屬增材制造中将占有一席之地。
目前許多國外(wài)知(zhī)名增材制造廠(chǎng)家已經将銅材料納入到(dào)自(zì)己的産品目錄當中。比較有代表性的是EOS在2020年公布了(le)純Cu和(hé)CuCrZr的數據手冊，2021年又推出兩類材料的AMCM（EOS旗下(xià)子公司，生産定制設備，Additive Manufacturing Customized Machine）版本。
SLM Solutions陸續上(shàng)線CuSn10、CuCrZr産品數據，2019年該公司推出兼顧強度和(hé)導電導熱性的CuNi2SiCr産品，可用(yòng)于模具和(hé)電氣領域，成爲增材制造銅合金(jīn)材料中一項重磅産品。
材料廠(chǎng)家TLS Technik、m4p、Sandvik、Makin等公司都公布有自(zì)己的增材制造銅合金(jīn)産品。目前增材制造用(yòng)銅及銅合金(jīn)材料集中于純Cu、CuSn10、CuCrZr和(hé)CuNi2SiCr，雖然CuNiSn、CuCr、CuCrNb、CuAlFeNi等材料也(yě)有相關增材制造研究與應用(yòng)，但(dàn)應用(yòng)程度還不及前四類産品。
有研粉末新材料股份有限公司（簡稱“有研粉材”，股票代碼 688456）是國内最大(dà)的銅粉供應商，年銷售各類銅及銅合金(jīn)粉末超3萬噸，旗下(xià)子公司北京康普錫威在國内較早開(kāi)展了(le)增材制造用(yòng)銅及銅合金(jīn)粉末的研究與應用(yòng)，目前已形成較全系列的增材制造專用(yòng)銅及銅合金(jīn)粉末産品，包括純Cu、CuSn10、CuCrZr、CuNi2SiCr、CuAlFeNi等，在航空(kōng)航天、模具、電氣等領域取得了(le)重要應用(yòng)。
純Cu
相對(duì)于銅合金(jīn)，純Cu的優勢是其導電和(hé)導熱性，因爲各類銅合金(jīn)在銅中添加元素後必然會(huì)損失導電導熱。由于純銅在常規1064nm波長即所謂紅(hóng)光波長下(xià)吸收率較低(dī)，不易實現(xiàn)緻密，因此純Cu打印一直是一個難題。
目前的解決方法一是利用(yòng)短波長激光，如TRUMPF的515nm綠光激光設備，另一個是提高(gāo)功率，如EOS的AMCM設備搭載了(le)1Kw激光器用(yòng)于純銅打印。無論是哪種類型設備打印，想要獲得高(gāo)緻密度或者說高(gāo)導電導熱純銅制件都需要原料粉末保持高(gāo)純淨度的同時(shí)還具有更易實現(xiàn)緻密化的粉末特性，如粒徑分布合理(lǐ)，流動性好(hǎo)，松裝密度高(gāo)等特點。就純銅粉末制備而言，保持材料高(gāo)純度同時(shí)保持高(gāo)球形度是追求目标。
CuSn10
CuSn10作(zuò)爲一種鑄造錫青銅易于成型，很(hěn)多涉及銅材料的模型或工(gōng)藝品打印選用(yòng)CuSn10材料。CuSn10合金(jīn)強度較高(gāo)，耐磨和(hé)耐腐蝕性能(néng)優良，可以用(yòng)于制造葉片、齒輪等耐磨零件，但(dàn)其導電導熱性能(néng)不高(gāo)，因此對(duì)于有導電或導熱要求一般不選用(yòng)CuSn10。CuSn10屬于目前增材制造銅合金(jīn)材料中的常規産品。
CuCrZr
火箭發動機是銅合金(jīn)的典型應用(yòng)場景。發動機内襯及相關零部件材料要求極高(gāo)，一方面由于燃燒室燃燒溫度極高(gāo)（超過3000℃），另一方面高(gāo)溫高(gāo)壓及高(gāo)速燃氣對(duì)材料有很(hěn)強的侵蝕。CuCr合金(jīn)是一種典型的沉澱強化型銅合金(jīn)，而Zr元素的加入可以促進Cr相析出，改善析出相分布，同時(shí)Zr與Cu形成的銅锆化合物可起到(dào)沉澱強化的作(zuò)用(yòng)，因此CuCrZr合金(jīn)力學性能(néng)優異，可以用(yòng)于火箭發動機零部件制造。近年來(lái)國内航天單位圍繞火箭發動機推力室零件的增材制造開(kāi)展了(le)較多研究和(hé)開(kāi)發工(gōng)作(zuò)，CuCrZr是當前可選材料。值得一提的是，火箭發動機零件用(yòng)銅合金(jīn)材料仍在不斷更新叠代之中，CuZr、CuCr、CuAgZr、CuCrNb等材料陸續都有應用(yòng)研究，尤其是美(měi)國NASA正在進行增材制造驗證的GRcop-42（Cu-4Cr-2Nb at%），有望将火箭發動機燃燒室材料提升至新的等級。
CuNi2SiCr
率先将該材料用(yòng)于增材制造并開(kāi)展了(le)材料鑒定和(hé)參數驗證工(gōng)作(zuò)，爲增材制造銅合金(jīn)家族增加了(le)一項重要成員。CuNi2SiCr熱處理(lǐ)後的強度明(míng)顯高(gāo)于CuCrZr等材料，同時(shí)還能(néng)保持一定的導熱率和(hé)導電率，已經能(néng)夠滿足部分模具制造要求和(hé)導電件要求，因此在模具和(hé)電氣領域将有重要應用(yòng)。
相對(duì)于如钛、鋁、高(gāo)溫合金(jīn)等産品，銅及銅合金(jīn)的增材制造還不成熟。EOS自(zì)2019年爲材料産品引入類似技術儲備水(shuǐ)平（TRL，Technology Readiness Level）的概念，目前兩類銅材料标記爲3級，屬于驗證通過水(shuǐ)平，而IN718、AlSi10Mg等産品一般爲7-9級。現(xiàn)階段增材制造已經從(cóng)模型驗證逐漸轉向産品制造，增材制造材料将進入根據應用(yòng)選擇或設計(jì)材料的階段，銅及銅合金(jīn)材料的更新叠代體現(xiàn)更爲明(míng)顯。可以預見随着工(gōng)藝和(hé)材料的不斷進步，銅材料的增材制造應用(yòng)将會(huì)提升至一個新的水(shuǐ)平。