一种兼顾强度与导电性的SLM 3D打印铜合金材料CuNi2SiCr

| 3DScienceValley · 2019/11/05

纯铜及铜合金由于极好的导电、导热、耐腐蚀性及韧性等特点，被广泛应用于电力、散热、管道、装饰等领域，有的铜合金材料因具有良好的导电、导热性和较高强度，被广泛应用于制造航空、航天发动机燃烧室部件。但是随着应用端对于复杂结构零部件的需求增多，传统加工工艺已逐渐无法满足需求。

选区激光熔化金属3D打印技术具有可成形复杂结构零部件，材料利用率高，无需模具等优点，该技术在制备复杂结构的铜合金热交换器、尾喷管等零部件方面具有巨大的应用潜力。但由于铜的导热性和反射性极佳，铜金属在激光熔化的过程中，吸收率低，激光难以持续熔化铜金属粉末，从而导致成形效率低，冶金质量难以控制等问题。

不过，铜基合金3D打印材料与新型3D打印激光器正在推动着铜金属3D打印技术的发展。近日，金属3D打印企业SLM Solutions 就验证通过了一种用于选区激光熔化3D打印的铜合金材料-CuNi2SiCr ，并确立了这款材料的理想打印参数。

铜基合金的3D打印

通过热处理进一步提高强度与电导率

铜合金CuNi2SiCr 材料能够与SLM Solutions的所有激光熔化3D打印系统兼容，是一种可热硬化的合金，具有高刚度以及电导率和导热率的平衡组合的特征。该合金中包括镍和硅成分，具有很高的耐腐蚀性和耐磨性。

来源：SLM Solutions

SLM Solutions对CuNi2SiCr 铜合金材料进行了鉴定与参数验证，并确立这款材料的理想打印参数。在测试这些参数时，铜合金突出的主要问题是对氧气的敏感性，为了解决这个问题，SLM Solutions建议在使用该材料时，其系统中的氧气最大含量为500 ppm。

3D打印铜合金材料导电性通常低于纯铜（IACS值为100％），SLM Solutions的CuNi2SiCr材料在经过热处理后，IACS值由打印完成时的14%，提升至40％，导电性虽然低于纯铜，但仍适用于部分导电应用。

数据来源：SLM Solutions

根据SLM Solutions ，铜合金材料的电导率会随着合金元素数量的增加而降低，但其他性能（例如强度）可以得到改善，CuNi2SiCr 材料的强度优于纯铜。通过实施热处理工艺能够提高CuNi2SiCr 3D打印部件的性能，例如通过沉淀强化使零件具有更高的强度和电导率。

CuNi2SiCr 铜合金3D打印材料适合应用于模具制造、电气工程的导电触点、焊接喷嘴、阀等领域。CuNi2SiCr 材料的强度、电阻和导电性能使其非常适合于制造在机械、热和摩擦应力环境中的导电性零件。

相对于传统制造工艺，CuNi2SiCr 材料与金属3D打印技术在实现设计自由度方面的优势相结合，能够解锁更多传统工艺无法实现的新应用，包括设计和制造具有复杂内部几何形状和拓扑优化的铜合金零部件，最终得到轻量化的，更具成本效益的零部件。

3D科学谷Review

3D科学谷曾在《3D打印发展趋势及中国市场的机遇与挑战》白皮书中谈到，快速发展的金属粉末材料是金属3D打印技术应用发展的重要驱动力。从打印材料来看，钛合金材料的价格有望大幅降低，新型不锈钢合金的出现，高强度与低价格铝合金材料的出现，铜合金粉末床激光熔化技术与应用的发展，将为增材制造领域迎来钛合金、铝合金、铜合金以及复合材料制造的新时代。

《3D打印发展趋势及中国市场的机遇与挑战》
来源：3D科学谷

根据3D科学谷的市场观察，除了CuNi2SiCr 铜合金粉末材料，已投入应用的典型3D打印铜合金粉末材料还包括NASA（美国国家航空航天局）开发的高强度，高导电率的铜基合金GRCop-42， GKN 公司开发的CuCrZr、CuNi3Si材料，以及Heraeus 公司开发的CuSn10和CuSn8等。在我国增材制造企业中，西安铂力特已在铜金属激光成形领域取得了进展，研制出针对难熔金属和高导热、高反射金属的3D打印工艺，实现了复杂流道的铜材料制造工艺，成功制备出3D打印铜合金尾喷管；长沙新材料产业研究院有限公司等材料企业进行了CuCrZr铜合金3D打印粉末的研发。

铜金属3D打印激光器的发展也促进了纯铜和铜合金的3D打印应用。根据3D科学谷的市场观察，2018 年岛津公司拟（日本）实现了其 BLUE IMPACT 蓝光冲击二极管激光器的商业化，这种激光器可以在高亮度下产生 100 瓦的功率，岛津 450 纳米蓝色二极管激光器的一个关键应用是铜材料的 3D 打印。铜对蓝色激光的吸收率很高，背反射的减少可以使加工过程变快，这对传统的红外激光器是一个严峻的挑战。新研发的 3D 打印机可以用纯铜粉高效打印物体。此外，德国Fraunhofer “SLM绿色”项目所推动了绿色激光器的发展，该激光器与1μm波长的波长相比更短，波长在515nm，旨在解决铜对激光的高反射问题。

相聚德国法兰克福，3D科学谷创始人Kitty将于2019年11月20日，11.0-A79 展台介绍2019年全球3D打印市场趋势，包括设备趋势，材料趋势，应用开发趋势，软件趋势。3D打印中国市场的现状，包括中国3D打印市场的SWOT分析，创新者的亮点，在中国开展3D打印业务的挑战以及中国3D打印发展趋势的展望。