高導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性使銅成為生產(chǎn)要求具有高傳熱能力的零部件的最佳材料。比較典型的應(yīng)用如制造管殼式熱交換器，銅材料的效率通過設(shè)計得到加強，具有高傳熱系數(shù)和高湍流。然而高性能設(shè)計通常需要許多制造工藝才能實現(xiàn)，銅熱交換器的理論效率將被降低。

通過增材制造實現(xiàn)的一體化制造，可以有效解決這類問題。但是銅增材制造仍然極具挑戰(zhàn)性。在本期谷.透視中，3D科學(xué)谷將對主流金屬增材制造技術(shù)之一，粉末床選區(qū)激光熔化工藝（LPBF）存在的挑戰(zhàn)及可行性方案的探索情況進行概述。

LPBF 銅增材制造挑戰(zhàn)及可行性方案探索

3D科學(xué)谷

銅的應(yīng)用價值

銅 (Cu) 作為一種韌性金屬，具有良好的耐腐蝕性、低化學(xué)反應(yīng)性、非凡的機械加工性和成型性以及高導(dǎo)電 (60 × 106 S/m，相當于100% 國際退火銅標準 (IACS) ) 和熱導(dǎo)率 (400 W/mK)。

由于這些獨特的特性，純銅在生產(chǎn)用于電子、散熱器、增壓空氣冷卻器和熱交換器等多種應(yīng)用的設(shè)備以及電子封裝、汽車和建筑行業(yè)等各種工業(yè)領(lǐng)域的設(shè)備方面受到了廣泛關(guān)注。此外，銅經(jīng)常用作不同合金材料的基材，例如黃銅和青銅，其中分別將鋅和錫合金化。

材料性能效率通常通過特定的零部件設(shè)計來提高。銅的典型制造工藝，例如粉末冶金 (PM) 和傳統(tǒng)工藝（例如鍛造、機加工、擠壓和鑄造），可以生產(chǎn)簡單的幾何形狀。但是難以生產(chǎn)復(fù)雜部件或翅片式熱交換器和散熱器，或者在制造時需要焊接等其他工藝來實現(xiàn)。

相對而言，增材制造工藝對于這種情況而言就更具優(yōu)勢。因為增材制造能夠?qū)崿F(xiàn)大量薄翅片或具有特定幾何形狀的復(fù)雜流道，這些幾何形狀增加了交換面積和湍流 。此外，增材制造的整體式熱交換器和散熱器將更好地抵抗液體壓力和泄漏。這些可行性為制造性能緊湊型銅熱交換設(shè)備創(chuàng)造了條件。

《銅金屬3D打印白皮書》 3D科學(xué)谷

不過，即使是在優(yōu)勢明顯的情況下，純銅和銅金屬的增材制造應(yīng)用仍存在一些挑戰(zhàn)，包括以下幾點：

• 由于銅及其合金的高電導(dǎo)率和熱導(dǎo)率增加了從熔池到周圍區(qū)域的熱傳遞率，并產(chǎn)生高熱梯度和不利后果。

• 對于激光增材制造來說，高激光反射率是另一個最重要的問題。

• 快速傳熱和高反射率都阻礙了激光功率的吸收，導(dǎo)致高孔隙率和較差的機械、熱和電性能。此外，銅的延展性會對粉末去除和回收后產(chǎn)生負面影響 ，可能是因為在此階段構(gòu)建的銅片很容易變形。

• 銅對氧化的高敏感性使粉末處理變得復(fù)雜。

LPBF 銅增材制造

LPBF工藝是加工金屬部件最常用的增材制造技術(shù)，因為它可以生產(chǎn)極薄和復(fù)雜的細節(jié)。然而，適用于 LPBF 工藝的金屬材料必須滿足三個基本要求：低熱導(dǎo)率， 高激光吸收，以及含有高沸點元素 。這些材料特性確保了穩(wěn)定的熔池，使得材料易于加工。

正是因為如此，銅金屬成為了一種難以用LPBF加工的材料。銅的高導(dǎo)熱性促進了從熔池區(qū)域到周圍的快速熱傳遞，導(dǎo)致局部熱梯度增加。因此，層卷曲和分層是常見的缺陷。然而，銅增材制造可加工性的最大挑戰(zhàn)與它的激光吸收有關(guān)。

銅的激光吸收與 (a) 波長、(b) 溫度的函數(shù)關(guān)系。

LPBF 3D打印純銅零件的常見缺陷：（a）球化效應(yīng)和（b）由于熔池和凝固層之間的潤濕行為不足導(dǎo)致的微球化效應(yīng)；(c) 當大熔池不能徹底潤濕底層時邊緣升高，這種效果疊加在幾個打印層上，看起來像一個凸起的邊緣；(d) 打印層的分層，通常由熱梯度引起 ；(e) 因暴露于激光背反射 12 小時而導(dǎo)致光學(xué)振鏡損壞的示例。

那么，怎樣克服LPBF 工藝銅增材制造的挑戰(zhàn)呢？接下來，我們從設(shè)備及工藝方案和材料方案兩個角度進行了解。

設(shè)備及工藝方案

根據(jù)3D科學(xué)谷的市場研究，通過實驗設(shè)計優(yōu)化工藝參數(shù)是常見的方式。LPBF增材制造工藝優(yōu)化中最常用的工藝參數(shù)是激光功率 (P)、掃描速度 (υ)、層厚 (s) 和掃描間距 (h) 。

例如，有的研究團隊采用連續(xù)光纖激光器，波長為1070 nm，最大功率為400 W，光束直徑為70 μm。采用最佳工藝參數(shù)（掃描速度400 mm/s，掃描間距0.12 mm，層厚0.03 mm），得到的相對密度可達95%。銅被打印在不銹鋼基板上，表面粗糙度平均值等于18μm。

3D打印復(fù)雜結(jié)構(gòu)銅散熱器：柱狀、螺旋狀和彎管狀。

上圖顯示了模擬散熱器的結(jié)構(gòu)。3D打印銅散熱器與商用柱狀散熱器和塊狀銅對應(yīng)物之間的比較表明，3D打印部件的熱導(dǎo)率 (368 W/mK) 和電導(dǎo)率 (5.71 S/m) 和硬度值 (108 MPa) 更高。

在優(yōu)化工藝參數(shù)的方式中，使用更高的激光功率進行銅增材制造是常見方式。增加激光功率輸入對銅密度產(chǎn)生積極影響，從而對其性能產(chǎn)生積極影響。例如有的研究團隊探索了使用最大功率為 500 W、光束直徑為 37.5 μm 的紅外光纖激光器銅增材制造工藝參數(shù)，得到的相對密度為99.3%。工藝參數(shù)的優(yōu)化包括等于 0.03 毫米的固定層厚度和0.09 毫米的掃描間距。

根據(jù)3D科學(xué)谷的市場研究，另一個克服粉末床激光銅增材制造挑戰(zhàn)的思路是調(diào)整激光波長。較大的波長會降低激光吸收率，而隨著較短的激光波長而增加。波長約為 520 nm 的綠色和藍色激光將激光吸收率提高到 40%

在主要研究中，銅相對密度隨激光輸入功率所產(chǎn)生的變化（左）；純銅吸收率隨波長的變化（右）。

出于這個原因，較短波長的激光器被認為是生產(chǎn)全致密銅元件的可靠解決方案。

根據(jù)3D科學(xué)谷的市場觀察，這一思路已被工業(yè)級3D打印設(shè)備制造商所采用。例如，德國通快集團在TruPrint 1000 綠光版3D打印設(shè)備中配備了波長為515納米的綠光激光器，該設(shè)備可采用指定銅含量大于 99.9% 的高導(dǎo)電純銅ETP（EN CW004A）。鉑力特針對純銅增材制造，提供搭載綠激光配置的金屬增材制造定制設(shè)備。這種短波長激光的應(yīng)用將提升銅零件成形的成功率及致密度，同時降低能量損失和對設(shè)備損壞的可能性。

此外，打印平臺/基板在保持均勻的粉末床溫度和工藝穩(wěn)定性方面發(fā)揮了關(guān)鍵作用。因此為銅增材制造選擇合適的基板也是其中一種應(yīng)對挑戰(zhàn)的探索方式。

在 (a) 鋁制平臺(b) 鋼制基板上生產(chǎn)的 LPBF 3D打印銅樣品。

例如，有研究團隊用相同工藝參數(shù)，分別在鋁制基板和鋼制基板上進行銅增材制造，他們使用的參數(shù)為：激光功率為 190 W，激光掃描速度為 500 mm/s。結(jié)果表明，由于高導(dǎo)熱性，鋁制基板將熱量從樣品迅速散發(fā)到致密平臺。因此，平臺與試件之間的附著力較差，銅樣品底部發(fā)生翹曲和變形。這種不良的附著力也導(dǎo)致了熔池不穩(wěn)定和不均勻。溫度分布并導(dǎo)致形成引起變形的熱應(yīng)力。另一方面，鋼基板促進了具有外翹和變形的冶金結(jié)合的形成，從而提高了工藝穩(wěn)定性。

材料方案

提高 LPBF 工藝銅加工性能的另一個可行性方案的探索方向是改變原材料。

原材料改性是其中一種途徑。例如有的研究團隊將0.1 wt% 的碳納米顆粒與銅粉混合。使用碳等元素來增強激光吸收率，而不會降低熱性能和電性能，碳還降低了熱膨脹系數(shù)，可能有助于提高打印部件的尺寸精度。結(jié)果表明，在 LPBF 過程中，光吸收率提高（精確地從 29% 到 67%）、流動性和原位脫氧，制造的樣品顯示出98%的相對密度。然而，碳納米顆粒和其他雜質(zhì)沿晶界分離，銅部件的機械性能和導(dǎo)電性可能會劣化。建議的解決方案是使用無磷銅粉和一些碳吸收元素，例如鉻或鈦。

還有一種方式是通過在顆粒上創(chuàng)造一層錫和鎳涂層，來提升銅材料的激光吸收率。與成分相似的原位合金粉末相比，3D打印樣品的孔隙率較低。

在銅粉中添加少量合金元素也是其中一種途徑。然而，即使是少量的第二元素也可能大大降低銅的導(dǎo)熱性和導(dǎo)電性。這個想法是添加一種或多種導(dǎo)熱率較低的元素。在這些元素中，鉻是最常用的元素之一，因為它提高了銅的機械強度。鉻的存在提高了可加工性，并允許獲得具有提高的拉伸強度的高密度組件。例如，有的研究成功實現(xiàn)了具有高強度和高導(dǎo)電性的 Cu-Cr LPBF工藝3D 打印組件。當使用一組優(yōu)化的參數(shù)（激光功率為 2000 W，掃描速度為 600 mm/s，掃描間距為 0.2 mm，層厚為 0.05 mm）進行處理時，樣品的最終密度為 99.98%。成型后對零件進行熱處理，使Cr顆粒從Cu基體中析出，大大提高了UTS（468 MPa）、YS（377 MPa）和電導(dǎo)率，達到98.31% IACS。

根據(jù)3D科學(xué)谷的市場觀察，通過材料來實現(xiàn)純銅粉末床激光熔化增材制造的技術(shù)已進入到商業(yè)化階段。例如，德怡科技（Infinite Flex ）近日將其可用于標準紅外激光 LPBF 3D打印設(shè)備的純銅粉末材料 Cu 01 推出市場。

3D打印純銅熱交換器樣件

德怡科技

對3D打印零件進行直接時效硬化(DAH)，也是提升銅LPBF增材制造可行性的方式。這種熱處理的應(yīng)用產(chǎn)生了細小的 Cr 析出物，增加了硬度和 UTS（從 287 到 466 MPa），而延展性略有下降。有的研究團隊，增材制造了密度接近 97.9% 的 Cu-Cr-Zr-Ti 銅合金樣件，并對樣件進行固溶退火和時效處理，導(dǎo)致了細長晶粒擴大。這些熱處理通常用于提高強度。固溶退火用于使合金元素固溶在銅基體中，而隨后的時效處理旨在形成進一步強化的析出物。

銅金屬3D打印增材制造工藝呈現(xiàn)出多樣化發(fā)展。除了本期介紹的LPBF 工藝之外，粉末床電子束熔化、粘結(jié)劑噴射、材料擠出等幾種增材制造工藝也在銅金屬增材制造領(lǐng)域得到了發(fā)展。3D科學(xué)谷將在后續(xù)發(fā)布的谷.前沿文章中，透視這些技術(shù)在銅增材制造中的挑戰(zhàn)及可行性方案。

知之既深，行之則遠，3D科學(xué)谷為業(yè)界提供全球視角的增材與智能制造深度觀察，有關(guān)3D打印在細分應(yīng)用領(lǐng)域的更多分析，請前往3D科學(xué)谷發(fā)布的《銅金屬3D打印白皮書第二版》。

l 參考資料：

On the processability of copper components via powder-based additive manufacturing processes: Potentials, challenges and feasible solutions.

Laser 3D printing of complex copper structures.

Laser powder bed fusion of metal coated copper powders.

Copper-graphite composite: shear modulus, electrical resistivity, and cross-property connections

Effect of heat treatments on microstructure and properties of CuCrZr produced by laser-powder bed fusion.

Microstructure and mechanical properties of additive manufactured copper alloy.

Microstructure and properties of high strength and high conductivity cu-Cr alloy components fabricated by high power selective laser melting.