銅及銅合金憑借優(yōu)異的力學(xué)與熱學(xué)性能，在諸多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用:在電氣領(lǐng)域，它是核心導(dǎo)電材料;在航空航天領(lǐng)域，可用于導(dǎo)熱及承載的關(guān)鍵部件;近年來(lái)，隨著人工智能產(chǎn)業(yè)對(duì)芯片散熱需求的提升，銅及銅合金又成為制造高性能散熱部件的核心材料。然而，傳統(tǒng)的銅及銅合金加工方法，難以適應(yīng)日趨復(fù)雜的結(jié)構(gòu)-功能一體化構(gòu)件的制備。增材制造技術(shù)憑借其個(gè)性化定制及復(fù)雜結(jié)構(gòu)成型的優(yōu)勢(shì)，逐漸在銅及銅合金材料體系的打印中得到應(yīng)用。銅及銅合金的增材制造技術(shù)主要可以分為激光粉末床熔融、電子束選區(qū)熔化、電弧增材制造三種。激光粉末床熔融可以實(shí)現(xiàn)高尺寸精度及表面精度，適用于對(duì)精度要求較高的零部件，但是銅對(duì)紅外激光的反射率很高，需結(jié)合新型激光技術(shù)及粉末改性等方式提高對(duì)激光能量的吸收率。電子束選區(qū)熔化不存在高反射率問(wèn)題，能量吸收率高，成型性較好，生產(chǎn)的復(fù)雜零部件幾乎沒(méi)有殘余應(yīng)力，但電子束能量較高、光斑較大，打印精度和表面質(zhì)量較難控制，需結(jié)合后續(xù)的機(jī)械加工處理。電弧增材制造沒(méi)有成型尺寸的限制，且成型效率高，但精度較低，通常會(huì)與減材工藝相結(jié)合，是一種更側(cè)重于構(gòu)建大尺寸結(jié)構(gòu)、高效率的增材制造技術(shù)。相較于傳統(tǒng)加工方法，采用增材制造技術(shù)制備銅及銅合金零部件，可實(shí)現(xiàn)高精度成型、結(jié)構(gòu)定制化與小批量生產(chǎn)，能夠滿(mǎn)足日益嚴(yán)苛的應(yīng)用需求。
1、銅及銅合金的增材制造技術(shù)
1.1 激光粉末床熔融(LPBF)
激光粉末床熔融(Laser Powder Bed Fusion, L-PBF)的工作原理是借助計(jì)算機(jī)軟件對(duì)三維模型進(jìn)行切片分層處理后，在構(gòu)建平臺(tái)上均勻鋪設(shè)一層金屬粉末，使用高功率激光束按照規(guī)劃好的掃描路徑進(jìn)行掃描，利用激光的能量使粉末瞬間熔化并快速凝固，隨著構(gòu)建平臺(tái)下降，可以實(shí)現(xiàn)鋪粉掃描熔化的循環(huán)過(guò)程，逐層堆積直至成型完整的三維構(gòu)件 [1]。其原理圖如圖1所示。
L-PBF憑借其設(shè)計(jì)自由度高、成型材料組織細(xì)小均勻、性能優(yōu)異等優(yōu)勢(shì)，在銅合金的制備上有著廣泛的應(yīng)用。L-PBF的冷卻速率很高，可以達(dá)到 10 6K/s，使得成型組織呈現(xiàn)出快速熔凝的微細(xì)化結(jié)構(gòu)，且偏析很少，成分組織更為均勻，因此呈現(xiàn)出比傳統(tǒng)制造方式更為優(yōu)異的機(jī)械性能 [2]。然而，銅材料對(duì)于波長(zhǎng)為1064nm的紅外光具有很高的反射率，在固態(tài)下高達(dá)95%，在液態(tài)下也有85%。因此，這一特性制約了常規(guī)以紅外激光作為熱源的L-PBF技術(shù)成型無(wú)缺陷、致密結(jié)構(gòu)的銅及銅合金構(gòu)件 [3]。
研究者通常通過(guò)添加合金元素的方式，提高銅對(duì)激光功率吸收率。如，Zhang等人 [4]通過(guò)L-PBF探索了在純銅中添加Al和Ni元素，并通過(guò)67°層間旋轉(zhuǎn)和條紋掃描的策略以減少應(yīng)力積累的工藝策略，實(shí)現(xiàn)了CuAlNi合金的高致密度制備，致密度高達(dá)99.7%。此外，純銅材料的熱導(dǎo)率高達(dá)400W/m·K，銅合金的熱導(dǎo)率也在160~340 W/m·K范圍內(nèi)。因此，在打印過(guò)程中熔池?zé)崃繒?huì)快速通過(guò)粉末床進(jìn)行傳導(dǎo)，微熔池難以維持溫度，導(dǎo)致熔池不穩(wěn)定，容易形成缺陷 [2,5]。
通過(guò)提高激光功率，是解決銅及銅合金難以激光熔融的另一條可行途徑。M.Colopi等人 [6]系統(tǒng)地研究了1kW單模光纖激光器對(duì)純銅進(jìn)行選擇性激光熔化的工藝可行性，其打印的可行性分類(lèi)如圖2所示。研究表明，50μm層厚下工藝穩(wěn)定性最佳，當(dāng)激光功率為600 W，掃描速度為1000mm/s時(shí)，獲得試樣的致密度可以達(dá)到97.8%。但在掃描過(guò)程中，由于銅的高熱導(dǎo)率，其掃描路徑邊緣的粉末也會(huì)由于溫度升高而快速熔化，從而導(dǎo)致打印樣品邊緣區(qū)域會(huì)附著不規(guī)則的熔融顆粒，如圖3所示 [7]。因此，可以通過(guò)將掃描區(qū)域分為多個(gè)子區(qū)域并行掃描，使邊緣區(qū)域的粉末能夠充分冷卻，以實(shí)現(xiàn)打印過(guò)程中的精度控制。
但是，過(guò)高的激光功率會(huì)帶來(lái)新的問(wèn)題。一方面，激光功率過(guò)高可能會(huì)損壞激光器，這是由于銅材料會(huì)將激光束反射回激光發(fā)射器，導(dǎo)致激光器損壞。如，Jadhav等人 [8]指出在打印過(guò)程中，部分激光會(huì)被熔池表面反射，高能激光束沿原光路返回激光器的光學(xué)系統(tǒng)，并在光學(xué)鏡片上重新聚焦形成高能點(diǎn)，當(dāng)該點(diǎn)能量密度超過(guò)鏡片涂層的激光誘導(dǎo)損傷閾值，就會(huì)導(dǎo)致介電涂層損壞。研究人員通過(guò)模擬銅打印過(guò)程中發(fā)生的激光反射，在12h后鏡片就出現(xiàn)了明顯的損傷，如圖4所示。
另一方面，過(guò)高的激光功率會(huì)使熔池溫度迅速升高，引發(fā)元素氣化和熔池爆炸問(wèn)題。Yin等人 [9]系統(tǒng)地研究了L-PBF過(guò)程中Cu-10Zn合金的合金元素氣化行為、熔池爆炸現(xiàn)象及其對(duì)成形質(zhì)量的影響。研究發(fā)現(xiàn)，由于在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下Zn的沸點(diǎn)低(1180K)，蒸氣壓高，當(dāng)激光功率越高時(shí)，熔池中心溫度急劇上升。當(dāng)金屬蒸氣壓力超過(guò)熔融材料的表面張力時(shí)就會(huì)發(fā)生微爆炸。實(shí)驗(yàn)通過(guò)原位高速高分辨率成像系統(tǒng)觀察到，當(dāng)激光功率為2000W，掃描速度為600mm/s，層厚為50μm時(shí)發(fā)生非常劇烈的熔池爆炸現(xiàn)象，如圖5所示。爆炸導(dǎo)致熔道中出現(xiàn)凹坑缺陷，并引起粉末床分布不均勻，表面粗糙度增加，如圖6所示。此外，通過(guò)降低掃描速度來(lái)延長(zhǎng)熔池存在時(shí)間，使回流熔體有機(jī)會(huì)填充凹坑，從而提高致密度，如在激光功率2000 W、掃描速度300mm/s條件下，制備出致密度高達(dá)99.9%的Cu-10Zn樣品。
目前，激光增材制造銅及銅合金的研究大部分是近紅外光波長(zhǎng)段的激光光源，在此波段內(nèi)銅對(duì)近紅外光的反射率很高，若僅通過(guò)提高激光功率，不僅會(huì)加大能耗，還容易造成激光器的損壞。采用銅能量吸收率更高的綠光激光器或藍(lán)光激光器是另一種策略。圖7為室溫下銅和鐵的能量吸收率隨激光波長(zhǎng)變化圖，可以看出，固態(tài)銅對(duì)綠光( λ=532或515nm)的吸收率約為40%~60%，液態(tài)銅為25%~50% [10,11]，而銅對(duì)紅外光的吸收率僅為2%~5%。Nordet等人 [12]探究了在L-PBF過(guò)程中純銅對(duì)1kW連續(xù)波綠激光的吸收率特性，發(fā)現(xiàn)不同狀態(tài)的銅對(duì)綠光的吸收率存在差異，如在純銅基板下，固態(tài)銅的吸收率約為45%，液態(tài)銅約為20%;在 110 ± 10μm粉末床厚度下，固態(tài)銅約為75%，液態(tài)銅約為50%;而當(dāng)存在匙孔的狀態(tài)下，激光會(huì)在孔內(nèi)壁多次反射，綠光的吸收率提升至70%~80%。另外，Liu等人 [13]利用650W藍(lán)色激光(波長(zhǎng)450nm)制備出相對(duì)密度高達(dá)99.6%的小體積純銅零件。盡管采用綠光或藍(lán)光激光器能提高銅對(duì)激光能量的吸收率，但是由于這些激光器價(jià)格較為昂貴。
1.2 電子束選區(qū)熔化(SEBM)
電子束選區(qū)熔化(Selective Electron Beam Melting, SEBM)又稱(chēng)電子束粉末床熔融(EB-PBF)，其核心系統(tǒng)由電子槍、電磁線(xiàn)圈、真空室、粉末輸送與鋪粉系統(tǒng)、預(yù)熱系統(tǒng)構(gòu)成，如圖8所示。不同于激光粉末床熔融，其打印倉(cāng)為真空狀態(tài)，打印過(guò)程需要對(duì)基板進(jìn)行預(yù)熱。鋪粉時(shí)，電子束在電磁線(xiàn)圈的控制下，以散焦模式對(duì)整個(gè)粉末床進(jìn)行非常高的速度掃描(高達(dá)7000m/s)，可以將粉末預(yù)熱到最高1300℃。預(yù)熱完成后，電子束以高功率聚焦?fàn)顟B(tài)掃描粉末層使其熔化并與已熔化的粉末層緊密結(jié)合。由此可見(jiàn)，SEBM以高能電子束為熱源的方式，可以有效地避免銅及銅合金的高反射問(wèn)題。因此，在SEBM制備銅及銅合金的過(guò)程中，銅對(duì)高能電子束能量的吸收率通常可以達(dá)到90%以上，粉末可以完全熔融，制備出的打印件具有很高的致密度及優(yōu)異的性能。
為探明電子束增材制造高致密度銅合金的工藝窗口，Ralf等人 [15]通過(guò)SEBM制備純銅樣品時(shí)，將基板預(yù)熱到530°C，成功建立了可獲得致密度>99.5%的工藝窗口，樣品的電導(dǎo)率最高達(dá)59.1MS/m。此時(shí)的工藝參數(shù)為掃描速度:0.5~1.5 m/s，束流功率:300~1000 W，如圖9所示。
打印方向?qū)蛹牧W(xué)性能也有顯著的影響。電子束增材制造樣件在不同成型方向上存在顯著的力學(xué)性能差異，如:在平行于打印方向(90°)上進(jìn)行拉伸測(cè)試時(shí)，樣品呈現(xiàn)出脆性斷裂模式，但垂直于打印方向(0°)進(jìn)行測(cè)試時(shí)，樣品呈現(xiàn)出優(yōu)異的延展性。平行于打印方向上，由于較高的能量密度，在制備過(guò)程中產(chǎn)生了大量的裂紋，致使構(gòu)件在拉伸變形初期就發(fā)生了斷裂;而垂直于打印方向上存在顯著的柱狀晶結(jié)構(gòu)，使得銅及銅合金存在顯著的各向異性的特點(diǎn)。研究指出，造成大量裂紋的原因是銅的高熱膨脹系數(shù)產(chǎn)生的巨大內(nèi)應(yīng)力，這成為SEBM制備高性能純銅的最大障礙。
通過(guò)合金化的方法，可以有效提高電子束增材制造銅及銅合金的性能。Nerea等人 [5]通過(guò)SEBM成功制備出了致密度高達(dá)99.8%的CuCrZr(0.04wt.%Zr)樣品，其硬度達(dá)到了155HV。在預(yù)熱過(guò)程中促進(jìn)了Cr納米析出相的原位析出，通過(guò)析出強(qiáng)化機(jī)制提高了CuCrZr合金的強(qiáng)度和硬度。同時(shí)，由于基體中的Cr含量減少，提高了合金的熱導(dǎo)率。這表明無(wú)需后續(xù)固溶和時(shí)效處理，SEBM也能制備出高硬度與高熱導(dǎo)率的銅合金。另外，電子束增材制造還能夠通過(guò)調(diào)控工藝參數(shù)實(shí)現(xiàn)銅及銅合金中可控沉淀物-位錯(cuò)微結(jié)構(gòu)的調(diào)控。如，Ramirez等人 [16]通過(guò)SEBM在低純度銅粉(99.8%霧化銅粉)中形成了沉淀物-位錯(cuò)微觀結(jié)構(gòu)，從而提升材料硬度。通過(guò)正交掃描策略以及改變光束聚焦偏移量來(lái)控制熔池尺寸和形狀，銅合金在垂直于成型方向生成了等軸晶結(jié)構(gòu)的析出物-位錯(cuò)復(fù)合結(jié)構(gòu)，如圖10a所示;而在平行于成型方向生成了柱狀及拉長(zhǎng)的析出物-位錯(cuò)陣列，如圖10b所示。這些結(jié)構(gòu)是由非共格Cu?O析出相與高密度位錯(cuò)共同構(gòu)成的空間有序陣列，可以將純銅樣品硬度從72HV提升至83HV。
1.3 電弧增材制造
電弧增材制造(Wire and arc additive manufacturing，WAAM)是以電弧為熱源，將金屬絲材熔化后再按照設(shè)定好的路徑逐層沉積，最終形成三維實(shí)體構(gòu)件的方法。與激光粉末床熔融和電子束選區(qū)熔化相比，電弧增材制造具有成型效率高(3~6kg·h ?1)、成本低等優(yōu)勢(shì)。同時(shí)，電弧增材制造采用多軸工業(yè)機(jī)器人配合外部軸變位機(jī)或龍門(mén)架構(gòu)，其路徑規(guī)劃自由度與靈活度更高。因此，與激光、電子束增材制造只能在有限的成型倉(cāng)內(nèi)進(jìn)行不同的是，電弧增材制造可以實(shí)現(xiàn)大型復(fù)雜構(gòu)件的成型 [17]。電弧增材制造可分為熔化極氣體保護(hù)焊(Gas metal arc welding,GMAW)、鎢極惰性氣體保護(hù)電弧焊(Tungsten inert gas welding,TIG)、等離子弧焊(Plasma arc welding,PAW)等 [18]，其原理圖如圖11所示。相較于其他的電弧增材制造技術(shù)，GMAW具有高沉積率、設(shè)備與運(yùn)營(yíng)成本低、材料適應(yīng)性廣等優(yōu)勢(shì)，因此GMAW成了應(yīng)用最廣泛的電弧增材制造技術(shù)。
GMAW中存在四種主要的金屬過(guò)渡方法，即滴狀過(guò)渡、短路過(guò)渡、噴嘴過(guò)渡和脈沖噴嘴過(guò)渡，由于GMAW的熱輸入量相對(duì)較大，在逐層堆積的過(guò)程中容易導(dǎo)致嚴(yán)重的熱積累，使得成型件的表面波紋度增大，成型輪廓粗糙，尺寸精度較差，還存在嚴(yán)重的熔滴飛濺問(wèn)題 [20,21]。為解決這些問(wèn)題，F(xiàn)ronius公司開(kāi)發(fā)出冷金屬過(guò)渡技術(shù)(Cold Metal Transfer,CMT)。CMT的熱輸入量極低，且熔滴過(guò)渡是通過(guò)機(jī)械力完成的，熱輸入極低，從根本上消除了GMAW的熔滴飛濺問(wèn)題，并且工件受熱少，熱應(yīng)力小，焊接后變形量非常小，特別適合對(duì)尺寸精度要求高的結(jié)構(gòu)。陳茂愛(ài)等人 [22]探究了在304不銹鋼基板上，使用CMT電弧增材制造鋁青銅薄壁試樣過(guò)程中，送絲速度對(duì)成形能力與力學(xué)性能的影響。研究表明，送絲速度在3~10m/min內(nèi)時(shí)，可獲得表面光滑、無(wú)咬邊的熔覆層，而送絲速度過(guò)低或過(guò)高會(huì)導(dǎo)致未熔合、黏絲或氧化等問(wèn)題。同時(shí)，剪切強(qiáng)度隨送絲速度增加而提高，斷裂路徑主要在熔覆層內(nèi)，并非完全沿熔覆界面拓展。其拉伸強(qiáng)度表現(xiàn)出各向異性，橫向斷裂強(qiáng)度約為390MPa，縱向斷裂強(qiáng)度約為360MPa，且近界面區(qū)硬度較高，隨距離增加而下降，送絲速度增大導(dǎo)致組織粗化，硬度略降。劉國(guó)政 [23]研究了掃描長(zhǎng)度和沉積高度對(duì)電弧增材制造QSi3-1銅合金開(kāi)裂行為的影響，研究表明:最佳參數(shù)范圍為掃描長(zhǎng)度150~200mm，沉積高度40~80 mm。同時(shí)，實(shí)驗(yàn)還通過(guò)滲透探傷、SEM、EDS、XRD等手段綜合驗(yàn)證了裂紋為熱裂紋，主要成因包括冷卻不均導(dǎo)致晶粒尺寸差異大、晶界處形成的富Mn元素脆性相、晶格畸變與擇優(yōu)取向生長(zhǎng)加劇了裂紋的敏感性。
此外，溫濤濤 [24]還通過(guò)超聲振動(dòng)輔助電弧增材制造，制備了鋁青銅合金。其過(guò)程原理如圖12所示。研究表明:未加超聲時(shí)，組織主要為柱狀枝晶，寬度隨層間溫度降低而減小，施加超聲振動(dòng)后，柱狀晶寬度進(jìn)一步減小，并且當(dāng)層間溫度在100℃時(shí)轉(zhuǎn)變?yōu)榘麪罹В@表明超聲振動(dòng)可以促進(jìn)晶粒細(xì)化，抑制二次枝晶，形成孿晶和位錯(cuò)，從而提高組織均勻性。力學(xué)性能方面，在超聲振動(dòng)和層間溫度為100℃條件下，納米硬度和模量最均勻,其力學(xué)性能各向異性也得到了有效的控制,且自腐蝕電流密度為 2.94 × 10 ?6 A/cm 2,與無(wú)超聲輔助的自腐蝕電流密度 1.61 × 10 ?5A/cm 2相比降低了81.8%，在20~60℃下的腐蝕速率均處于“耐蝕”等級(jí)，這說(shuō)明了超聲振動(dòng)輔助能夠增強(qiáng)打印件的耐腐蝕性。
1.4 定向能量沉積
定向能量沉積(Directed Energy Deposition, DED)是一種基于高能束流的增材制造技術(shù)，其核心原理是通過(guò)聚焦的激光、電子束或電弧等熱源，在局部區(qū)域熔化金屬粉末或絲材，并逐層沉積形成三維實(shí)體結(jié)構(gòu)。與激光粉末床熔融和電子束選區(qū)熔化不同的是，定向能量沉積是多軸運(yùn)動(dòng)，其材料輸送方式為同步送料，具有成型速率高、構(gòu)件尺寸大、材料使用靈活性高的優(yōu)勢(shì)。Zhu等人 [26]采用波長(zhǎng)為455nm、最高功率3500 W的藍(lán)色激光系統(tǒng)，光斑尺寸為2.5mm×3mm，在Inconel718基板上進(jìn)行了單道純銅沉積實(shí)驗(yàn)，沉積效率達(dá)62.84mm2/s，并且未觀察到明顯裂紋或氣孔，顯示出優(yōu)異的界面結(jié)合性能。
DED雖然在構(gòu)建大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)和內(nèi)部薄壁特征具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，但是DED工藝固有的高能量輸入、大光斑尺寸及層疊沉積特性，會(huì)導(dǎo)致獨(dú)特的表面形貌、顯微組織與各向異性，進(jìn)而影響構(gòu)件的力學(xué)性能，尤其在薄壁結(jié)構(gòu)中可能引發(fā)顯著的“尺寸效應(yīng)”。Demeneghi G等人 [27]以高熱導(dǎo)率GRCop-42銅合金為對(duì)象，在恒定工藝參數(shù)下沉積了不同壁厚(T1:1.2mm與T2:1.6mm)和Cr/Nb比例(C1:1.08與C2:1.14)的單道薄壁結(jié)構(gòu)的試樣，并經(jīng)過(guò)熱等靜壓處理來(lái)消除殘余應(yīng)力和減少孔隙率，沉積試樣的示意圖如圖13所示。這種沉積方法包含了沉積層之間的較小區(qū)域，稱(chēng)為間隔層。間隔層具有明顯的凹谷，這可能導(dǎo)致應(yīng)力集中，從而促進(jìn)表面缺陷的產(chǎn)生。圖14為不同壁厚以及Cr/Nb比例的四批次沉積壁表面SEM圖，虛線(xiàn)所示為間隔層的位置。DED過(guò)程中的高熱輸入和定向散熱導(dǎo)致了強(qiáng)烈的外延生長(zhǎng)組織，所有試樣均呈現(xiàn)典型的 {001}?101?織構(gòu)。同時(shí)，該研究發(fā)現(xiàn)DED工藝引起的力學(xué)各向異性主要源自表面幾何效應(yīng)，而非內(nèi)部顯微組織織構(gòu)，可以通過(guò)簡(jiǎn)單的表面精加工即可有效消除由工藝引入的各向異性。
1.5 冷噴涂增材制造
冷噴涂增材制造(Cold Spray Additive Manufacturing,CSAM)是一種區(qū)別于傳統(tǒng)熱基增材工藝的固態(tài)沉積技術(shù)，其核心原理在于利用高壓高速氣體(通常為氮?dú)饣蚝?將微米級(jí)金屬粉末加速至超音速(300~1200m/s)，使顆粒在未熔融狀態(tài)下以高動(dòng)能撞擊基體表面，發(fā)生劇烈的塑性變形，從而實(shí)現(xiàn)逐層致密堆積，其原理圖如圖15所示 [28,29]。該過(guò)程不涉及熔化—凝固相變，因此徹底規(guī)避了熱應(yīng)力、晶粒粗化、元素?zé)龘p、氣孔與裂紋等由熱輸入引發(fā)的典型缺陷，特別適用于高導(dǎo)熱、高導(dǎo)電、低熔點(diǎn)且易氧化的銅及銅合金體系。相較于定向能量沉積、激光粉末床熔融等熱基技術(shù)，冷噴涂在銅材料成形中展現(xiàn)出獨(dú)特優(yōu)勢(shì):一方面，完全繞開(kāi)了銅對(duì)近紅外激光高達(dá)90%以上的反射率難題;另一方面，避免了因高熱導(dǎo)率導(dǎo)致的熔池快速散熱與不穩(wěn)定流動(dòng)，從根本上保障了沉積層的幾何保真度與界面完整性。Chen等人 [28]通過(guò)優(yōu)化冷噴涂工藝參數(shù)，首次成功制備出具有異質(zhì)雙峰晶粒結(jié)構(gòu)的純銅塊體，其抗拉強(qiáng)度達(dá)到271MPa，屈服強(qiáng)度為173 MPa，斷裂延伸率為43.5%，均勻延伸率為30%，顯著提升了試樣塊的強(qiáng)度與塑性。該研究證明了通過(guò)冷噴涂增材制造可以實(shí)現(xiàn)純銅材料強(qiáng)度與塑性的優(yōu)異協(xié)同，這在需要高導(dǎo)熱、高導(dǎo)電且兼具力學(xué)性能的應(yīng)用領(lǐng)域具有重要潛力。
1.6 粘結(jié)劑噴射
粘結(jié)劑噴射增材制造(Binder Jetting Additive Manufacturing,BJAM)作為一種非熱熔融型增材制造技術(shù)，近年來(lái)在銅及銅合金功能構(gòu)件的綠色、低成本、高效率制造中展現(xiàn)出獨(dú)特潛力。該工藝通過(guò)逐層鋪展金屬粉末，利用高精度噴墨打印頭選擇性噴射液態(tài)有機(jī)粘結(jié)劑，在室溫下實(shí)現(xiàn)粉末顆粒間的物理橋接與局部固化，形成“初始坯體”。隨后經(jīng)脫脂與高溫?zé)Y(jié)兩個(gè)關(guān)鍵后處理階段，完成致密化與冶金結(jié)合，其原理圖如圖16所示 [30]。
Miyanaji等人 [31]研究了粘結(jié)劑噴射增材制造與氧化物還原膨脹發(fā)泡技術(shù)相結(jié)合，通過(guò)兩種后處理工藝:第一種是在氫氣氣氛中直接燒結(jié)(含600°C氧化物還原與1075°C高溫?zé)Y(jié))，第二種是先在空氣中燒結(jié)，再在氫氣中于600°C退火以進(jìn)行氧化物還原與發(fā)泡，制備出具有多尺度孔隙結(jié)構(gòu)的高孔隙率銅泡沫。研究發(fā)現(xiàn)采用“先空氣燒結(jié)+氫氣退火”的工藝路徑獲得的孔隙率要優(yōu)于全程氫氣燒結(jié)，并且在600°C下退火2小時(shí)可實(shí)現(xiàn)最大孔隙率(58.1%)與最小體積收縮率(約5%)。當(dāng)泡沫銅的平均孔隙率約為56%時(shí)，彎曲強(qiáng)度達(dá)到29.1MPa，優(yōu)于部分傳統(tǒng)方法制備的同類(lèi)多孔材料，這為輕質(zhì)、多功能金屬泡沫的制備提供了新途徑。
2、增材制造銅及銅合金體系及其應(yīng)用
2.1 純銅
純銅由于對(duì)紅外激光的高反射效應(yīng)，通常可以通過(guò)添加第二相顆粒提高對(duì)激光的吸收率。如，Jadhava等人 [32]通過(guò)機(jī)械混合法，將0.1 wt.%碳納米顆粒添加到銅粉中，以提高銅對(duì)激光吸收率，從而提高L-PBF的工藝可行性。如圖17(a)所示，碳的添加能將銅粉對(duì)紅外激光的吸收率從29%提升至67%，如圖17(b)所示，與原始銅粉相比，碳摻雜銅粉的最大和最小角度變化較小，表明粉末的流動(dòng)性得到了改善。碳摻雜銅粉激光吸收率的提升，使得其在較低的能量密度范圍(200~500J/mm3)內(nèi)可以獲得98%致密部件，而純銅達(dá)到該致密度至少需要700J/mm3以上的能量密度。除了通過(guò)碳混合納米顆粒的方法外，Vleugels等人 [33]研究了通過(guò)表面氧化處理銅粉的方法，來(lái)提高銅對(duì)激光的吸收率。研究發(fā)現(xiàn)，氧化處理后的銅粉對(duì)紅外光的吸收率從32%提高至58%，在較低的激光功率(500 W)和較低的能量密度(463 J/mm3)下成功制備出致密度>97.5%的純銅部件。另外，打印件的力學(xué)性能要優(yōu)于傳統(tǒng)L-PBF純銅部件，并且由于氧在銅中固溶度極低，氧以納米氧化物析出形式存在，其導(dǎo)電性與純銅一致。
銅因其優(yōu)異的導(dǎo)電性(5810°s/m,100%IACS)和熱導(dǎo)率(400W/(m·K))，在散熱器、IGBT功率模塊以及高效電氣零部件等方面得到了廣泛應(yīng)用 [34]。在芯片領(lǐng)域，隨著AI技術(shù)的快速發(fā)展，對(duì)于需要處理大量數(shù)據(jù)的GPU的高效冷卻成為關(guān)鍵問(wèn)題。微通道水冷板具有高效的冷卻效率，其結(jié)構(gòu)的精密化可以通過(guò)高精度金屬增材制造技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。如圖18所示，新加坡CoolestDC公司通過(guò)激光增材制造技術(shù)制造出全球首個(gè)無(wú)泄漏一體式的銅冷卻板，成功應(yīng)用于服務(wù)器的CPU上，該銅冷板不僅能顯著提高散熱性能，降低能耗，還能承受6bar的水壓。
2.2 CuCrZr合金
CuCrZr是一種典型的沉淀強(qiáng)化型銅合金，具有高強(qiáng)度與高導(dǎo)性等優(yōu)勢(shì)。在高溫狀態(tài)下，Cr與Zr元素在銅基體中的固溶度極為有限，經(jīng)過(guò)固溶與時(shí)效工藝處理后，Cr、Zr以納米級(jí)析出相的形式在銅基體內(nèi)彌散分布。這種微觀組織特征使合金在時(shí)效狀態(tài)下展現(xiàn)出優(yōu)異的綜合性能，同時(shí)具備較高的強(qiáng)度、硬度，以及良好的導(dǎo)電與導(dǎo)熱特性，并且析出相在高溫狀態(tài)下也能保持良好的穩(wěn)定性 [35]。
不同Zr含量對(duì)組織與性能也存在顯著的影響。Zhou等人 [36]分別制備了兩種不同Zr含量(0.01Zr和0.19Zr，wt.%)的CuCrZr粉末，通過(guò)微量Zr合金化來(lái)改善銅合金粉末的激光吸收率和流動(dòng)性。研究發(fā)現(xiàn)，0.19wt.%Zr的CuCrZr粉末對(duì)激光的吸收率從36.8%提升至42.5%，打印件相對(duì)密度從97.1%提升至99.3%，缺陷顯著減少。并且0.19wt.%Zr合金的極限抗拉強(qiáng)度和延伸率分別為253MPa和25%，優(yōu)于0.01wt.%Zr合金的188MPa和15%。除此之外，還可以通過(guò)表面改性的方法來(lái)提高粉末的激光吸收率。Hu等人 [37]通過(guò)原位化學(xué)法在CuCrZr粉末表面包覆了Y?O?，使得CuCrZr粉末對(duì)紅外激光的吸收率從32.8%提高至61.2%，并利用L-PBF方法制備出了高致密度試樣(>99.5%)。研究發(fā)現(xiàn)，Y?O?可以細(xì)化晶粒，并且可以誘導(dǎo)形成共格納米析出相Cu?CrZr(Y,O)。晶粒的細(xì)化與納米析出相共同形成了強(qiáng)化機(jī)制，與未包覆Y?O?的樣品相比，添加Y?O?后材料屈服強(qiáng)度從199MPa提高至223MPa，抗拉強(qiáng)度從276MPa提高至340 MPa，延伸率從23.2%提高至42.7%。該研究為高反射率合金的激光增材制造提供了一種有效的粉末改性策略。
對(duì)于高熱導(dǎo)率的CuCrZr合金而言，其高溫下的微觀結(jié)構(gòu)演化和性能研究較為有限。Xie等人 [38]采用綠激光打印，研究了激光增材制造CuCrZr合金在高溫環(huán)境下的綜合性能。結(jié)果表明，在600°C條件下，CuCrZr合金樣品仍保持180MPa的抗拉強(qiáng)度和6.1%的延伸率，并且其熱導(dǎo)率仍高達(dá)約290W·m ?1·K ?1。在高溫條件下，CuCrZr合金仍然存在高位錯(cuò)密度，嚴(yán)重阻礙了位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)，如圖19(a-c)所示。拉伸變形后，組織內(nèi)部形成的堆垛層錯(cuò)阻礙了位錯(cuò)的交滑移和攀移，增加了變形的難度，這有助于實(shí)現(xiàn)強(qiáng)度與塑性的平衡，如圖19(d-f)所示。圖20顯示了在Cu基體中均勻分布的、尺寸約3nm的體心立方Cr和Cu??Zr析出相，析出相在600℃高溫下依然保持穩(wěn)定。這些細(xì)小的、熱穩(wěn)定的納米析出相有效地阻礙了晶界遷移，從而顯著延緩了動(dòng)態(tài)再結(jié)晶過(guò)程，這些共同作用形成了高溫條件下CuCrZr合金的強(qiáng)化機(jī)制。該研究為實(shí)現(xiàn)Cu合金高強(qiáng)度與高導(dǎo)熱平衡提供了有效途徑。
Zhang等人 [39]研究通過(guò)燃燒合成與電磁攪拌鑄造相結(jié)合的方法，成功制備了原位納米TiCx增強(qiáng)Cu-Cr-Zr復(fù)合材料。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)探討了TiCx含量對(duì)復(fù)合材料耐磨性能的影響，結(jié)果表明:隨著TiCx含量增加，復(fù)合材料顯微組織由枝晶轉(zhuǎn)變?yōu)榈容S晶，晶粒顯著細(xì)化，顯微硬度和布氏硬度分別最高提升23.3%和15.6%。在磨損試驗(yàn)中，含4wt.%TiCx的復(fù)合材料表現(xiàn)出最優(yōu)的耐磨性，其磨損率最低( 1.31 × 10 ?10m 3/m)，磨損表面更為光滑，溝槽淺而窄，遠(yuǎn)優(yōu)于基體合金。這主要?dú)w因于TiCx納米顆粒的細(xì)晶強(qiáng)化、載荷傳遞效應(yīng)以及對(duì)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的阻礙作用，共同提升了材料的抗磨損性能。盡管電導(dǎo)率和熱導(dǎo)率隨TiCx添加有所下降，但該復(fù)合材料在耐磨性方面的顯著提升為其在高溫、高磨損工況下的應(yīng)用提供了重要參考。
CuCrZr合金常用于火箭發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室的內(nèi)壁和噴管，這些部件需要承受上千度的溫度以及劇烈的熱循環(huán)。CuCrZr合金的高導(dǎo)熱性能能夠及時(shí)將燃燒產(chǎn)生的熱量導(dǎo)出，同時(shí)材料的高強(qiáng)度確保了其能夠承受極高的壓力。相較于純銅而言，CuCrZr合金能更好地緩解與鎳基高溫合金外殼之間的力學(xué)性能不匹配問(wèn)題，適應(yīng)發(fā)動(dòng)機(jī)短期極端熱載荷的工作環(huán)境。另外，CuCrZr的高熱導(dǎo)與高強(qiáng)度性使其成為核聚變反應(yīng)堆中重要的第一壁熱沉材料與偏濾器組件候選材料之一。該合金需與鈹和不銹鋼進(jìn)行復(fù)合連接，以承受等離子體產(chǎn)生的高熱流和中子輻照負(fù)荷 [40]。
2.3 其他銅合金
(1)Cu-Co合金
Cu-Co合金憑借其卓越的導(dǎo)電性、在高溫條件下的穩(wěn)定性以及可調(diào)控的磁性能，在高端連接器、耐磨部件和電磁器件等領(lǐng)域的應(yīng)用前景備受關(guān)注。Liu等人 [41]研究通過(guò)向Cu粉中添加超過(guò)其固溶度(>4.75 wt.%)的Co元素，利用L-PBF成功制備出具有異質(zhì)晶粒結(jié)構(gòu)的Cu-Co合金，獲得的銅合金兼顧高強(qiáng)度和良好的延展性。其微觀結(jié)構(gòu)由熔池邊界的超細(xì)等軸晶(<1μm)和熔池內(nèi)部的柱狀晶/粗等軸晶組成，如圖21和22所示。其形成機(jī)制歸因于熔池內(nèi)原位形成的CoO核-Co殼納米顆粒，在過(guò)冷度最大的熔池邊界促進(jìn)了Cu的異質(zhì)形核，從而實(shí)現(xiàn)了顯著的晶粒細(xì)化，構(gòu)筑了獨(dú)特的異質(zhì)結(jié)構(gòu)。
(2)Cu-Zn合金
黃銅(Cu-Zn合金)是熔煉制備的最常用銅合金體系之一，其內(nèi)部添加了較多Zn元素，常用于水管、閥門(mén)、小五金件等。但是由于Zn是低熔點(diǎn)元素，它的沸點(diǎn)都要低于Cu的熔點(diǎn)，在增材制造的過(guò)程中會(huì)發(fā)生元素?fù)]發(fā)現(xiàn)象，容易引發(fā)工藝的不穩(wěn)定及缺陷。這種合金的打印困難主要在于熔池動(dòng)態(tài)與缺陷緩解的矛盾，當(dāng)降低激光功率時(shí)可以減少元素氣化現(xiàn)象，但可能導(dǎo)致能量不足，引起粉末未熔合缺陷;當(dāng)提高功率時(shí)，能保證粉末完全熔化，但又會(huì)引起Zn元素過(guò)度揮發(fā)以及熔池爆炸的問(wèn)題。
在這兩個(gè)問(wèn)題間實(shí)現(xiàn)平衡是制備出高致密Cu-Zn合金的關(guān)鍵，為此我們團(tuán)隊(duì)對(duì)Cu-Zn合金的L-PBF工藝進(jìn)行了初步探索，其不同工藝參數(shù)下的金相照片如圖23所示。研究表明，當(dāng)掃描速度大于900mm/s時(shí)容易產(chǎn)生大面積未熔融的缺陷，并存在Zn元素?fù)]發(fā)產(chǎn)生了大量氣孔;當(dāng)激光功率小于80W時(shí)，粉末未熔合形成缺陷的現(xiàn)象最為明顯。Cu-Zn合金最佳工藝參數(shù)為激光功率80W，掃描速度800mm/s，此時(shí)的致密度達(dá)到98%。
(3)GRCop合金
GRCop-42(Cu-4Cr-2Nb)和GRCop-84(Cu-8Cr-4Nb)等GRCop銅合金具有高導(dǎo)熱性和在高溫下良好的機(jī)械性能,被認(rèn)為是航空航天工業(yè)中高性能熱交換器的理想材料。Chen等人 [42]通過(guò)LPBF技術(shù)制備了GRCop-42和 GRCop-84銅合金樣品，測(cè)試了從室溫至700℃的熱導(dǎo)率及20℃至1000℃的熱膨脹行為。結(jié)果表明:GRCop-42的平均熱導(dǎo)率為329 W/(m·K)，整體高于GRCop-84，且各樣品間熱導(dǎo)率變異小于±4%，這種差異主要與銅基體中溶質(zhì)原子的固溶狀態(tài)有關(guān)。在力學(xué)性能方面，GRCop-84展現(xiàn)出優(yōu)異的高溫強(qiáng)度、抗蠕變性和低周疲勞壽命，適用于500~800℃的高溫環(huán)境;GRCop-42則通過(guò)降低Cr?Nb相含量，在保持較高強(qiáng)度的同時(shí)顯著提升熱導(dǎo)率。如圖24熱膨脹測(cè)試顯示，增材制造GRCop合金的熱膨脹系數(shù)普遍低于傳統(tǒng)擠壓材料，這有助于降低熱應(yīng)力、減少熱致變形并延長(zhǎng)低周疲勞壽命，體現(xiàn)出良好的熱機(jī)械匹配性與工程適用性。
2.4 Cu基復(fù)合材料
為突破單一銅合金在強(qiáng)度、耐磨性或激光加工性方面固有的局限，研究者們聚焦于銅基復(fù)合材料的設(shè)計(jì)與制備。通過(guò)引入第二相增強(qiáng)體(如陶瓷顆粒、難熔金屬顆粒等)，有望在保持銅基體優(yōu)異導(dǎo)電導(dǎo)熱本征性能的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)力學(xué)性能與功能特性的協(xié)同提升。
Lupi等人 [43]通過(guò)電沉積在純銅粉末表面涂覆300nm的銀層，并通過(guò)500°C/1h和600°C/1h兩種熱處理方式調(diào)控界面結(jié)構(gòu)，研究發(fā)現(xiàn)在低功率L-PBF工藝下，純銅樣品的致密度僅為93.4%，而未熱處理的銀涂層銅粉密度達(dá)99.0%，500℃熱處理后的樣品達(dá)99.1%。但在600℃熱處理后導(dǎo)致銀層不連續(xù)，致密度下降至98.4%。
Gao等人 [44]研究通過(guò)添加1 wt.% TiB?顆粒，提高Cu15Ni8Sn合金的激光吸收率，改善L-PBF的可加工性。研究發(fā)現(xiàn)，添加TiB?顆粒使銅合金的激光吸收率從53.56%提升至79.34%，顯著減少了氣孔和未熔合缺陷，樣品致密度達(dá)到99.4%。另外，樣品表面質(zhì)量也得到了顯著改善，表面粗糙度降低約39.9%，屈服強(qiáng)度從402MPa提升至448MPa，極限抗拉強(qiáng)度從524MPa提升至601MPa。
鉭在銅中的固溶度極低，不會(huì)大量溶解到銅晶格中，而是以獨(dú)立的第二相顆粒形式存在。當(dāng)鉭以細(xì)小、彌散分布的顆粒存在于銅基體中時(shí)，這些硬質(zhì)顆粒會(huì)阻礙位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)，從而顯著提高材料的強(qiáng)度和硬度。但由于銅和鉭元素互不相溶，在傳統(tǒng)制造過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)的相分離和顆粒分布不均勻等問(wèn)題。Das等人 [45]采用激光粉末床熔融技術(shù)成功制備了以銅為基體、鉭為增強(qiáng)相的復(fù)合材料，其中Cu-5wt.%Ta表現(xiàn)出最高屈服強(qiáng)度(80MPa)和較好的應(yīng)變硬化能力，并顯著提高了銅基復(fù)合材料的耐磨性。
Sharma等人 [46]將石墨烯作為增強(qiáng)相來(lái)提升銅的激光加工性能。實(shí)驗(yàn)制備了五種石墨烯含量(0.05%、0.1%、0.25%、0.8%、1.5%，wt.%)的復(fù)合粉末，并研究石墨烯含量對(duì)粉末流動(dòng)性、激光吸收率、成型質(zhì)量及性能的影響。如圖25(a-b)分別為不同含量石墨烯復(fù)合粉末的流動(dòng)時(shí)間圖與質(zhì)量流量率圖，可以看出粉末流動(dòng)性在0.1wt.%石墨烯時(shí)最佳，超過(guò)0.25wt.%后因比表面積增大和團(tuán)聚而下降;圖26(a)為不同含量的石墨烯混合物對(duì)不同波長(zhǎng)激光吸收率變化圖，圖26(b)為1070nm波長(zhǎng)下不同含量石墨烯混合物的激光吸收率圖，表明激光吸收率從純銅的14.6%提高至0.8Gr-Cu的57.9%，當(dāng)石墨烯含量大于0.8wt.%時(shí)，吸收率趨于飽和。
圖27與圖28(a)為L(zhǎng)P-DED工藝制備石墨烯銅合金(Gr-Cu)塊體金相圖和相對(duì)密度圖，結(jié)果表明，成分為0.05Gr-Cu與0.1Gr-Cu的復(fù)合材料可實(shí)現(xiàn)無(wú)缺陷制備，相對(duì)密度高。如圖28(b-c)所示，顯微硬度在0.1Gr Cu時(shí)最高，為88.42 HV，較純銅的60.38 HV顯著提升，其電導(dǎo)率在0.1Gr-Cu時(shí)最優(yōu)，為80%IACS，要優(yōu)于純銅的51%IACS。當(dāng)添加0.1wt.%石墨烯使得銅粉末在流動(dòng)性、吸收率、成型質(zhì)量和硬度之間取得最佳平衡，最適合LP-DED工藝。
Cu-Al?O?是一類(lèi)通過(guò)在銅基體中均勻引入高穩(wěn)定性、高硬度、低固溶度的Al?O?納米顆粒，利用其對(duì)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的強(qiáng)烈釘扎效應(yīng)來(lái)實(shí)現(xiàn)強(qiáng)度與高溫性能協(xié)同提升的先進(jìn)銅基復(fù)合材料。該體系突破了傳統(tǒng)固溶強(qiáng)化與加工硬化在銅材料中面臨的“強(qiáng)度-導(dǎo)電性倒置”物理極限，成為高功率電子器件散熱基板、核聚變第一壁熱沉、脈沖強(qiáng)磁場(chǎng)線(xiàn)圈骨架及航空航天熱管理部件等極端服役場(chǎng)景的核心候選材料。Liu由原位內(nèi)氧化還原法制備的氧化鋁彌散強(qiáng)化(ADS)銅合金在高溫下的熱穩(wěn)定性、軟化行為及其機(jī)理。研究表明:通過(guò)原位內(nèi)氧化還原法可制備出具有納米級(jí)Al?O?顆粒(2~25nm)均勻分布的ADS銅合金，如圖29所示，其軟化溫度高達(dá)約1200K，顯著優(yōu)于傳統(tǒng)銅合金，該合金在高溫退火過(guò)程中晶粒表現(xiàn)出極緩慢的長(zhǎng)大，如圖30所示。結(jié)果表明:在773~1273K范圍內(nèi)退火后，ADS銅合金的平均晶粒尺寸僅從0.60μm增至0.74μm，且Al?O?顆粒無(wú)顯著粗化或溶解現(xiàn)象，其抗軟化機(jī)制主要?dú)w因于 Al?O?顆粒對(duì)晶界遷移的強(qiáng)釘扎效應(yīng)，該效應(yīng)在晶粒尺寸處于0.4~0.5μm至2.18μm之間尤為顯著。該研究為設(shè)計(jì)適用于高溫服役環(huán)境的增材制造銅合金提供了重要的材料體系參考與理論依據(jù)。
Chen等人 [48]采用固液摻雜結(jié)合氫氣還原的短流程工藝，成功制備了 Al?O?彌散強(qiáng)化的ODS-Cu粉末，并進(jìn)一步通過(guò)反應(yīng)合成法與Sn粉末復(fù)合，制得Cu10Sn含油軸承。研究表明，隨著Al?O?含量增加(0~1.5 wt%)，Cu粉末平均粒徑從17.08μm降低至10.48μm，有效抑制了顆粒團(tuán)聚與晶粒生長(zhǎng)。在800℃燒結(jié)條件下，Al?O?在Cu-Sn基體中分布均勻，孔隙結(jié)構(gòu)適宜，含油量達(dá)23.3%。并且力學(xué)性能得到顯著提升，其中Al?O?含量為1.5wt%的樣品其徑向抗壓強(qiáng)度與維氏硬度分別達(dá)到305 MPa與208HV，這主要?dú)w因于Al?O?的彌散強(qiáng)化作用及其對(duì)微觀結(jié)構(gòu)的細(xì)化效果。該研究為傳統(tǒng)粉末冶金工藝下 Al?O?強(qiáng)化銅合金提供了系統(tǒng)工藝參考，其關(guān)于第二相調(diào)控與燒結(jié)行為優(yōu)化的結(jié)論，對(duì)增材制造中銅合金的成分設(shè)計(jì)與工藝參數(shù)選擇也具有重要借鑒意義。
3、面對(duì)的挑戰(zhàn)與展望
3.1 面臨的挑戰(zhàn)
盡管銅及銅合金的增材制造技術(shù)取得了顯著進(jìn)展，但在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中仍面臨多方面的挑戰(zhàn):
(1)銅對(duì)紅外激光的高反射率嚴(yán)重制約了激光粉末床熔融技術(shù)的成型效率與質(zhì)量。盡管通過(guò)提高激光功率、采用綠光/藍(lán)光激光器或?qū)Ψ勰┻M(jìn)行表面改性(如氧化、包覆、添加吸收劑)等手段可以在一定程度上緩解該問(wèn)題，但這些方法或成本高昂，或工藝復(fù)雜，尚未實(shí)現(xiàn)大規(guī)模工業(yè)應(yīng)用。
(2)在L-PBF過(guò)程中，高導(dǎo)熱性與熔池不穩(wěn)定性的問(wèn)題容易導(dǎo)致氣孔、未熔合、球化等缺陷 [49?51]。如，合金元素(如Zn、Sn等)在高溫下易揮發(fā)，會(huì)引發(fā)熔池爆炸與成分偏析問(wèn)題，這會(huì)影響構(gòu)件性能一致性，仍需進(jìn)一步優(yōu)化。
(3)銅與高熔點(diǎn)金屬或陶瓷顆粒的復(fù)合材料在L-PBF中易出現(xiàn)界面反應(yīng)、分布不均或結(jié)合力不足等問(wèn)題。此外，銅與其他金屬的多材料結(jié)構(gòu)在界面結(jié)合與殘余應(yīng)力控制方面仍缺乏系統(tǒng)研究。
(4)金屬增材制造的規(guī)模化應(yīng)用正面臨缺少標(biāo)準(zhǔn)化體系的制約。目前，缺乏針對(duì)性的材料、工藝參數(shù)、質(zhì)量檢測(cè)及后處理的認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)。這種鏈條式的標(biāo)準(zhǔn)滯后，導(dǎo)致工藝可重復(fù)性差、質(zhì)量評(píng)估不一、產(chǎn)業(yè)協(xié)作困難，這導(dǎo)致在高要求領(lǐng)域缺乏可靠性并阻礙了產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。
(5)數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證之間脫節(jié)，銅合金固有的高反射率與高導(dǎo)熱性使其熔池動(dòng)力學(xué)行為極為復(fù)雜，現(xiàn)有仿真模型難以精準(zhǔn)預(yù)測(cè)其熱歷史、殘余應(yīng)力及缺陷的形成，而復(fù)雜的原位實(shí)驗(yàn)又限制了有效數(shù)據(jù)的獲取與模型校準(zhǔn)，使得工藝開(kāi)發(fā)仍高度依賴(lài)經(jīng)驗(yàn)試錯(cuò)。
3.2 展望
為克服上述挑戰(zhàn)，未來(lái)銅及銅合金增材制造的研究與發(fā)展可從以下幾個(gè)方向展開(kāi):
(1)開(kāi)發(fā)“增材制造專(zhuān)用”銅合金體系，并結(jié)合粉末表面工程實(shí)現(xiàn)性能與工藝的協(xié)同優(yōu)化。利用計(jì)算材料學(xué)手段，如相圖計(jì)算與第一性原理模擬，系統(tǒng)設(shè)計(jì)適用于快速熔凝過(guò)程的合金成分，通過(guò)微合金化元素調(diào)控晶粒組織、析出相行為及裂紋敏感性。在此基礎(chǔ)上，將材料設(shè)計(jì)延伸至粉末本身，通過(guò)表面改性(如可控氧化、納米顆粒包覆或核殼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì))主動(dòng)調(diào)控粉末的激光吸收率、流動(dòng)性及熔池穩(wěn)定性，從而在根源上解決高反射率與成型缺陷問(wèn)題。
進(jìn)一步地，將上述材料設(shè)計(jì)思想拓展至銅基復(fù)合材料及多材料結(jié)構(gòu)。通過(guò)研究增強(qiáng)相(如陶瓷顆粒、高熔點(diǎn)金屬)與銅基體的界面調(diào)控機(jī)制，開(kāi)發(fā)具有良好結(jié)合強(qiáng)度與功能梯度特性的新型復(fù)合材料。推動(dòng)銅與鋼、鈦合金等異質(zhì)材料的一體化成型，在界面設(shè)計(jì)、殘余應(yīng)力控制與性能匹配方面開(kāi)展深入研究，以拓展其在電子散熱、航空航天等領(lǐng)域的多功能集成應(yīng)用。
(2)銅及銅合金的增材制造工藝窗口狹窄，且參數(shù)(如激光功率、掃描速度)之間存在復(fù)雜的非線(xiàn)性關(guān)系。機(jī)器學(xué)習(xí)模型可以通過(guò)學(xué)習(xí)大量歷史實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，快速建立“工藝參數(shù)-微觀結(jié)構(gòu)-性能”的映射關(guān)系，從而推薦最優(yōu)參數(shù)組合，并且機(jī)器學(xué)習(xí)算法還能分析打印過(guò)程中的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)(如熔池亮度、形態(tài)、熱成像)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)缺陷的實(shí)時(shí)識(shí)別和預(yù)測(cè)，在缺陷發(fā)生時(shí)自動(dòng)調(diào)整工藝參數(shù)進(jìn)行補(bǔ)償，大幅減少傳統(tǒng)“試錯(cuò)法”所需的時(shí)間和成本。
(3)在制造業(yè)綠色轉(zhuǎn)型的趨勢(shì)下，金屬增材制造的可持續(xù)性正成為其重要發(fā)展維度。該技術(shù)本身具備的近凈成形特性，大大提高了原料利用率。與此同時(shí)，專(zhuān)用金屬粉末的高效循環(huán)利用技術(shù)正不斷成熟，進(jìn)一步降低了材料成本和環(huán)境負(fù)荷。從更廣視角看，增材制造具有本地化生產(chǎn)和部件修復(fù)能力，有助于縮短供應(yīng)鏈、延長(zhǎng)產(chǎn)品壽命，從而在整個(gè)生命周期內(nèi)減少總體碳排放。推動(dòng)銅合金增材制造的綠色化，不僅是技術(shù)發(fā)展的內(nèi)在要求，也是提升其產(chǎn)業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力的關(guān)鍵路徑。
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（注，原文標(biāo)題：銅及銅合金的增材制造研究進(jìn)展_泮億業(yè)）
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