銅及銅合金是一類有重要應用的關(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合是必選材料。在增材制造中，銅材料應用較晚，但近年來呈現(xiàn)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展，更促進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，不斷有新用戶著手開發(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(zhuǎn)向純銅和各類高強高導銅。

有研究報告稱，2019-2027年期間，全球銅增材制造市場將以51%的年復合增長率增長。盡管當前銅合金打印還存在諸多工藝和材料問題，但可以預見，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(shù)據(jù)手冊，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產(chǎn)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）是國內(nèi)最大的銅粉供應商，年銷售各類銅及銅合金粉末超3萬噸，旗下子公司北京康普錫威在國內(nèi)較早開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，因為各類銅合金在銅中添加元素后必然會損失導電導熱。由于純銅在常規(guī)1064nm波長即所謂紅光波長下吸收率較低，不易實現(xiàn)致密，因此純Cu打印一直是一個難題。

目前的解決方法一是利用短波長激光，如TRUMPF的515nm綠光激光設(shè)備，另一個是提高功率，如EOS的AMCM設(shè)備搭載了1Kw激光器用于純銅打印。無論是哪種類型設(shè)備打印，想要獲得高致密度或者說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還具有更易實現(xiàn)致密化的粉末特性，如粒徑分布合理，流動性好，松裝密度高等特點。就純銅粉末制備而言，保持材料高純度同時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?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。

CuCrZr

火箭發(fā)動機是銅合金的典型應用場景。發(fā)動機內(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Cr相析出，改善析出相分布，同時Zr與Cu形成的銅鋯化合物可起到沉淀強化的作用，因此CuCrZr合金力學性能優(yōu)異，可以用于火箭發(fā)動機零部件制造。近年來國內(nèi)航天單位圍繞火箭發(fā)動機推力室零件的增材制造開展了較多研究和開發(fā)工作，CuCrZr是當前可選材料。值得一提的是，火箭發(fā)動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(xù)都有應用研究，尤其是美國NASA正在進行增材制造驗證的GRcop-42（Cu-4Cr-2Nb at%），有望將火箭發(fā)動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展了材料鑒定和參數(shù)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，同時還能保持一定的導熱率和導電率，已經(jīng)能夠滿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?qū)⒂兄匾獞谩?/span>

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)品引入類似技術(shù)儲備水平（TRL，Technology Readiness Level）的概念，目前兩類銅材料標記為3級，屬于驗證通過水平，而IN718、AlSi10Mg等產(chǎn)品一般為7-9級。現(xiàn)階段增材制造已經(jīng)從模型驗證逐漸轉(zhuǎn)向產(chǎn)品制造，增材制造材料將進入根據(jù)應用選擇或設(shè)計材料的階段，銅及銅合金材料的更新迭代體現(xiàn)更為明顯。可以預見隨著工藝和材料的不斷進步，銅材料的增材制造應用將會提升至一個新的水平。