純銅及銅合金由于極好的導(dǎo)電、導(dǎo)熱、耐腐蝕性及韌性等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于電力、散熱、管道、裝飾等領(lǐng)域，有的銅合金材料因具有良好的導(dǎo)電、導(dǎo)熱性和較高強(qiáng)度，被廣泛應(yīng)用于制造航空、航天發(fā)動機(jī)燃燒室部件。但是隨著應(yīng)用端對于復(fù)雜結(jié)構(gòu)零部件的需求增多，傳統(tǒng)加工工藝已逐漸無法滿足需求。

    選區(qū)激光熔化金屬3D打印技術(shù)具有可成形復(fù)雜結(jié)構(gòu)零部件，材料利用率高，無需模具等優(yōu)點(diǎn)，該技術(shù)在制備復(fù)雜結(jié)構(gòu)的銅合金熱交換器、尾噴管等零部件方面具有巨大的應(yīng)用潛力。但由于銅的導(dǎo)熱性和反射性極佳，銅金屬在激光熔化的過程中，吸收率低，激光難以持續(xù)熔化銅金屬粉末，從而導(dǎo)致成形效率低，冶金質(zhì)量難以控制等問題。

       不過，銅基合金3D打印材料與新型3D打印激光器正在推動著銅金屬3D打印技術(shù)的發(fā)展。近日，金屬3D打印企業(yè)SLM Solutions 就驗(yàn)證通過了一種用于選區(qū)激光熔化3D打印的銅合金材料-CuNi2SiCr ，并確立了這款材料的理想打印參數(shù)。

銅基合金的3D打印

 通過熱處理進(jìn)一步提高強(qiáng)度與電導(dǎo)率

     銅合金CuNi2SiCr 材料能夠與SLM Solutions的所有激光熔化3D打印系統(tǒng)兼容，是一種可熱硬化的合金，具有高剛度以及電導(dǎo)率和導(dǎo)熱率的平衡組合的特征。該合金中包括鎳和硅成分，具有很高的耐腐蝕性和耐磨性。

來源：SLM Solutions

     SLM Solutions對CuNi2SiCr 銅合金材料進(jìn)行了鑒定與參數(shù)驗(yàn)證，并確立這款材料的理想打印參數(shù)。在測試這些參數(shù)時，銅合金突出的主要問題是對氧氣的敏感性，為了解決這個問題，SLM Solutions建議在使用該材料時，其系統(tǒng)中的氧氣最大含量為500 ppm。

      3D打印銅合金材料導(dǎo)電性通常低于純銅（IACS值為100％），SLM Solutions的CuNi2SiCr材料在經(jīng)過熱處理后，IACS值由打印完成時的14%，提升至40％，導(dǎo)電性雖然低于純銅，但仍適用于部分導(dǎo)電應(yīng)用。

數(shù)據(jù)來源：SLM Solutions

     根據(jù)SLM Solutions ，銅合金材料的電導(dǎo)率會隨著合金元素?cái)?shù)量的增加而降低，但其他性能（例如強(qiáng)度）可以得到改善，CuNi2SiCr 材料的強(qiáng)度優(yōu)于純銅。通過實(shí)施熱處理工藝能夠提高CuNi2SiCr 3D打印部件的性能，例如通過沉淀強(qiáng)化使零件具有更高的強(qiáng)度和電導(dǎo)率。

     CuNi2SiCr 銅合金3D打印材料適合應(yīng)用于模具制造、電氣工程的導(dǎo)電觸點(diǎn)、焊接噴嘴、閥等領(lǐng)域。CuNi2SiCr 材料的強(qiáng)度、電阻和導(dǎo)電性能使其非常適合于制造在機(jī)械、熱和摩擦應(yīng)力環(huán)境中的導(dǎo)電性零件。

       相對于傳統(tǒng)制造工藝，CuNi2SiCr 材料與金屬3D打印技術(shù)在實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)自由度方面的優(yōu)勢相結(jié)合，能夠解鎖更多傳統(tǒng)工藝無法實(shí)現(xiàn)的新應(yīng)用，包括設(shè)計(jì)和制造具有復(fù)雜內(nèi)部幾何形狀和拓?fù)鋬?yōu)化的銅合金零部件，最終得到輕量化的，更具成本效益的零部件。

 Review

      快速發(fā)展的金屬粉末材料是金屬3D打印技術(shù)應(yīng)用發(fā)展的重要驅(qū)動力。從打印材料來看，鈦合金材料的價(jià)格有望大幅降低，新型不銹鋼合金的出現(xiàn)，高強(qiáng)度與低價(jià)格鋁合金材料的出現(xiàn)，銅合金粉末床激光熔化技術(shù)與應(yīng)用的發(fā)展，將為增材制造領(lǐng)域迎來鈦合金、鋁合金、銅合金以及復(fù)合材料制造的新時代。

《3D打印發(fā)展趨勢及中國市場的機(jī)遇與挑戰(zhàn)》

     除了CuNi2SiCr 銅合金粉末材料，已投入應(yīng)用的典型3D打印銅合金粉末材料還包括NASA（美國國家航空航天局）開發(fā)的高強(qiáng)度，高導(dǎo)電率的銅基合金GRCop-42， GKN 公司開發(fā)的CuCrZr、CuNi3Si材料，以及Heraeus 公司開發(fā)的CuSn10和CuSn8等。在我國增材制造企業(yè)中，西安鉑力特已在銅金屬激光成形領(lǐng)域取得了進(jìn)展，研制出針對難熔金屬和高導(dǎo)熱、高反射金屬的3D打印工藝，實(shí)現(xiàn)了復(fù)雜流道的銅材料制造工藝，成功制備出3D打印銅合金尾噴管；長沙新材料產(chǎn)業(yè)研究院有限公司等材料企業(yè)進(jìn)行了CuCrZr銅合金3D打印粉末的研發(fā)。

       銅金屬3D打印激光器的發(fā)展也促進(jìn)了純銅和銅合金的3D打印應(yīng)用。根據(jù)3D科學(xué)谷的市場觀察，2018 年島津公司擬（日本）實(shí)現(xiàn)了其 BLUE IMPACT 藍(lán)光沖擊二極管激光器的商業(yè)化，這種激光器可以在高亮度下產(chǎn)生 100 瓦的功率，島津 450 納米藍(lán)色二極管激光器的一個關(guān)鍵應(yīng)用是銅材料的 3D 打印。銅對藍(lán)色激光的吸收率很高，背反射的減少可以使加工過程變快，這對傳統(tǒng)的紅外激光器是一個嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。新研發(fā)的 3D 打印機(jī)可以用純銅粉高效打印物體。此外，德國Fraunhofer “SLM綠色”項(xiàng)目所推動了綠色激光器的發(fā)展，該激光器與1μm波長的波長相比更短，波長在515nm，旨在解決銅對激光的高反射問題。

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