中南大学 l 增材制造铜及铜合金的研究进展

| 3DScienceValley · 2024/07/22

谷专栏

以下文章来源于中国有色金属学报，作者中国有色金属学报

▲第四届航空航天增材制造大会（AAMC2024）演讲嘉宾招募中

纯铜及铜合金具有优异的导电导热性能、延展性、抗腐蚀性、和抗菌催化作用，广泛应用于电子工业、航空航天、交通运输和医疗设备等领域。近年来，随着航空航天、电子工业朝着小型化和高集成化的方向快速发展，铜及铜合金零部件不仅要求具备良好的导电导热性能，而且要求具有越来越复杂的形状和结构。增材制造技术的出现使复杂形状铜及铜合金零部件的制造成为可能。

中南大学王日初、王小锋教授团队《中国有色金属学报》发表了《增材制造铜及铜合金的研究进展》一文，系统梳理了铜及铜合金增材制造技术的相关研究成果，分析了铜及铜合金增材制造技术的原理和特点，重点介绍了纯铜、CuCrZr、CuCrNb和其他类型铜合金在增材制造上的研究进展，最后指出了增材制造纯铜和铜合金的研究方向。本期谷.专栏将分享其中的要点。

▲论文链接：

http://ysxb.csu.edu.cn/thesisDetails#10.11817/j.ysxb.1004.0609.2023-44457&lang=zh

文章亮点

本文分析了铜及铜合金增材制造技术的原理、特点和工艺进展，总结了增材制造铜及铜合金类型，包括纯铜、CuCrZr、CuCrNb和其他铜合金，讨论了增材制造铜及铜合金在航空航天、电子工业等方面的应用。最后，展望了增材制造铜及铜合金的发展趋势。

图文解析

1. 增材制造铜及铜合金技术

目前，已用于纯铜及铜合金的增材制造技术主要为基于粉床的技术，包括激光粉末床熔融（Laser powder bed fusion, L-PBF）、电子束粉末床熔融（Electron beam powder bed fusion, EB-PBF）和粘结剂喷射（Binding jetting, BJ）等。L-PBF技术成型效率高、材料利用率高以及工艺相对简单，在铜及铜合金的增材制造技术中应用最为广泛。相比之下，EB-PBF技术以高能电子束作为热源，降低了铜粉的高反射率影响，提升了能量利用率，并且EB-PBF真空腔室可以避免铜粉氧化，确保了铜制品的稳定性。BJ技术不受铜粉高反射率和高热传导率等特性的影响，设备相对简单，因此采用BJ技术成型铜及铜合金的研究日趋增多。除了上述常用技术之外，其他增材制造技术也被应用于铜及铜合金的制造，例如基于光固化(Photopolymerization)和定向能量沉积(Direct energy deposition, DED)的方法。

根据增材制造成型后是否需要进行排胶、烧结致密化处理，将上述方法归结为直接增材制造技术和间接增材制造技术。直接增材制造技术是通过热源直接加热单层铜粉/铜丝并使之熔化，随后快速冷却凝固，逐层叠加制成铜部件，各直接增材制造技术原理图如图一所示。间接增材制造技术是将铜粉与有机物按一定方式混合，通过特定的方式固化成型，再经过排胶、烧结致密化处理后，最终得到铜部件。例如，粘结剂喷射技术和数字光处理技术（Digital light processing, DLP）等，技术原理图如图2所示。

图1铜及铜合金直接增材制造技术原理图：(a) L-PBF技术；(b) EB-PBF技术；(c) LP-DED技术；(d) AW-DED技术；(e) HLADED技术

图2铜及铜合金间接增材制造技术原理图：(a) BJ技术；(b) DLP技术

2. 增材制造铜及铜合金的类型

(1) 纯铜
纯铜的增材制造技术主要为L-PBF、EB-PBF和BJ技术，如表1所列。

表1

相较于铜合金，纯铜对激光表现出更高的反射率，限制了L-PBF技术成型纯铜部件。为了解决纯铜对激光的高反射率所带来的能量输入不足、残余应力高等问题，研究者们从工艺参数优化和降低纯铜激光反射率等方面进行了深入研究。例如，WAGENBLAST 等采用绿色短波激光器有效降低了纯铜粉对红外光的高反射率影响，成功制备了密度为99.8%、电导率为 100%IACS 的纯铜部件。CONSTANTIN等通过优化工艺参数还可实现纯铜制造过程缺陷的有效控制，研究表明，当扫描速度为200mm/s时，熔池间温度梯度大，导致熔池中心的熔融金属往两边边缘扩散形成凸起，产生缺陷；而当扫描速度为600mm/s时，扫描速度过快导致颗粒熔化所需的能量不足，出现球化现象，如图3所示。

图3 L-PBF在扫描速度分别为200，400，600mm/s成型纯铜时的 SEM图、抛光表面图和熔池示意图

(2) CuCrZr

同样地，CuCrZr合金因其较高的激光反射率而不利于L-PBF成型。为了解决该问题，研究者们进行了大量研究与探索。WAGENBLAST等调整激光为绿色短波激光（波长= 515nm），解决了铜粉高反射率对激光熔融技术的限制，采用L-PBF技术在更快时间内制造出近全致密的块状CuCrZr合金。LASSÈGUE等采用物理气相沉积（PVD）法在铜粉上沉积Cr和Zr，形成了均匀的CrZr涂层，提高了铜粉的激光吸收率，制备了相对密度为94.3 %的CuCrZr合金。REN等采用直接量热测量法研究了不同激光线性能量密度（线性能量密度=功率/扫描速度）下，CuCrZr粉末对近红外激光的吸收率，如图4所示。结果表明，线性能量密度越大，CuCrZr粉末的激光吸收率越高，越利于该合金成型。

图4 不同线性能量密度下CuCrZr粉末对激光的吸收率

(3) CuCrNb

铜铬铌合金是另一种高强度高导电铜合金，具有优异的塑性变形能力、加工性能、高温力学性能与抗蠕变性能，采用增材制造技术可灵活地制造结构复杂且微观组织和性能可控的铜铬铌合金，进一步拓宽其应用场景。KINI 等采用LP-DED技术制备了CuCrNb合金，在成型过程中调节冷却速率，实现了铬的纳米级析出物和Laves相((Cr,Fe)2Nb颗粒）的原位合成。当控制冷却速率为103~104 K/s 时，在较慢冷速和对已固化层反复热循环的作用下，实现了析出物的原位生成，进而提升合金的硬度和导电性。Seltzman等采用L-PBF技术制造了几乎全致密的沉淀强化CuCrNb合金，并对其抗拉强度进行了分析。研究表明，较快的冷速和温度梯度造成柱状晶的生成，引起各向异性，导致CuCrNb合金垂直平面的抗拉强度略低于水平面。并且合金垂直方向断裂面上观察到起强化作用的Cr2Nb等析出物如图5所示。

图5 LP-DED成型CuCrNb合金的微观断口图

3. 增材制造铜及铜合金的应用

随着航空航天，电子工业等领域朝着微小化和高集成化发展，零部件局部产生的大量热量需要通过导热性优异的材料和具有大比表面积的结构进行有效散热。增材制造铜及铜合金可以制造高比表面积结构，实现高效散热。

3T RPD公司率先采用L-PBF技术一体化成型制造纯铜构件，通过最大化比表面积极大地提高了传热效率，如图6(a)所示。RAMIREZ等采用EB-PBF方法制备了如图6(b)所示的铜网状泡沫，其硬度值比商业铜产品高出大约75%。这些开放式蜂窝结构组件在复杂的热管理系统中有很大的应用潜力。CONSTANTIN等采用L-PBF技术成型了复杂的大比表面积（600 mm2/g）的泡沫铜散热器，将其散热性能与电子芯片上的小比表面积（286 mm2/g）商用散热器进行比较，散热效率约高出45%。图6(c)所示为采用L-PBF成型的冷却器单元，其中包含数百个厚度仅为0.3毫米的散热片，通过结构优化设计扩大流体流速，提升了冷却速率。使用铜材料制造该结构可以进一步提升冷却速率，有良好的应用前景。

图6 增材制造散热器件