黑科技：激光选择性熔化（SLM）铜合金取得重要进展

初识高导电率铜

高导电率铜合金在军工、航空航天、舰船制造、高铁、地铁、电动汽车、通讯设备等领域广泛应用，但我国每年需要的高导电铜合金50%依靠进口。该材料在航空航天、舰船等应用，由于导电性能更优秀，所需材料少，可减轻航空器和舰船等本体重量，节材降耗，还能再多装载其他设备等；用于互联网、通讯设备等，信息传递速度更快；应用于电动汽车电池，比现在的电池一次充电能多跑10—20公里等；用于海底电缆，由于安全和耐腐耐用，使用年限更长，节省了电缆更换的巨额费用等。

高导电铜的应用

铜金属3D打印技术主要被应用在航空、国防领域，美国Aerojet Rocketdyne研发的RL10液氢燃料火箭发动机中就使用了3D打印的铜合金推力室部件。美国航天局NASA 在铜质发动机燃烧室内衬3D打印方面也取得了突破，打印材料为GRCo-84铜合金。

铜以其延展性而闻名，是金属3D打印机看似理想的打印材料。此外，金属表现出仅次于银的导热率水平，并且高导电性使其适用于工业应用。

但铜合金的激光3D打印却不是一件容易的事情，我们所周知的原因如下：

1）铜合金和金银一样，导热性能良好、比热容小、浸湿性能差、表面有坚硬的氧化膜，对光斑的反射率较大，这就使得激光产生的热量在其表面不易停留，直接熔覆功能涂层难以实现；做激光的太容易理解这一点了，铜合金反射镜就是在激光中的典型应用。

2）铜合金基体与涂层的材料体系之间的性能差别很大，使用过程中的界面失效问题要得到一定的重视，在中间要有相应的过渡层连接；铜合金、金银的延展性好，大家也是太熟悉不过了，

3）涂层内韧性不足，热裂和应力等缺陷存在于涂层内部。

由于铜的导热性和反射性极佳，这使得铜金属在3D打印机内部难以操作。但是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。此外，铜的高延展性给去除多余粉末这样的后处理工作增加了难度。

“根据表面性质，”弗劳恩霍夫激光技术研究所（Fraunhofer ILT）快速制造小组研究员Daniel Heussen解释说，“纯铜会反射高达90％的激光辐射。”

“根据表面性质的不同，”Fraunhofer ILT快速制造集团研究员Daniel Heussen解释说，“纯铜在常规使用的1μm激光波长中反射高达90％的激光辐射能量。”

绿色SLM

为了解决铜对激光的高反射问题，Heussen和他的同事们正在推出“SLM绿色”项目，旨在改变3D打印机在铜粉末床上加工所遇到的挑战。

ILT Heussen和同事们正在开展“绿色SLM”项目，寻求改变3D打印机从铜粉末床上制造物体的方式

形状记忆合金的实际应用：

(a) Hydraulic tube-couplings,

(b) Electric circuit breaker,

(d) Simon filter,

(e) eye glass frame,

(f) spacer and

(g) robotic arm （印度AshishAgrawal等人）

中国矿业大学的Yue Zhang等人进行了Cu50Zr50的SLM研究，如下图显示了在扫描时温度的分布变化。

SLM加工过程中温度的分布变化，其中红色的区域和箭头是激光所在的区域

（中国矿业大学的Yue Zhang等人）

进行Cu50Zr50 合金SLM研究时结构的演变： (a) 俯视图和截面图； (b) 详细的区域放大图（中国矿业大学的Yue Zhang等人）

——

另外据报道，日本6大工业机器人开发商之一的Daihen公司和日本国家技术研究所（大阪府）最近似乎已经联合找到了解决之道 — 通过使用铜合金粉末和传统的M2金属3D打印机，他们开发出了一种叫做3D层压成型的新方法。而据江苏激光联盟秘书处了解，这种方法的主要优点就是既能实现铜的3D成型，又能很大程度上保证其不会失去原有属性（主要是导电性和导热性）。事实上根据研究者的说法，如果重点关注导电性，这种方法最高可实现打印件90%的纯铜率，并且还能将铜的抗拉伸性能“植入”到打印件当中！不过除此之外，这种技术也有其它优点，比如在制造单独部件上能显著缩短时间，从而提高效率，降低成本。基于上述优点，这种新技术有望在航空航天，汽车和医疗等许多领域得到广泛应用。而事实上，其开发团队已经利用它取得了一些成果，比如3D打印出了以往很难通过3D打印制造出的叠层激光器，以及成功改造了大电流水冷柜，令其冷却性能明显提高，尺寸和重量却明显下降。