铜及铜合金是一类有(yǒu)重要应用(yòng)的关键材料。
由于具有(yǒu)优良的导热、导電(diàn)、延展、耐腐蚀等特性，铜在航空航天、武器装备某些应用(yòng)场合是必选材料。在增材制造中，铜材料应用(yòng)较晚，但近年来呈现快速发展趋势，尤其國(guó)防军工领域铜合金增材制造应用(yòng)不断取得重要进展，更促进了铜材料增材制造的发展。近两年增材制造行业能(néng)够明显感受到铜合金需求的增長(cháng)，不断有(yǒu)新(xīn)用(yòng)户着手开发铜合金增材制造应用(yòng)，材料也从早期易于成型的铸造锡青铜转向纯铜和各类高强高导铜。
有(yǒu)研究报告称，2019-2027年期间，全球铜增材制造市场将以51%的年复合增長(cháng)率增長(cháng)。尽管当前铜合金打印还存在诸多(duō)工艺和材料问题，但可(kě)以预见，铜在金属增材制造中将占有(yǒu)一席之地。
目前许多(duō)國(guó)外知名增材制造厂家已经将铜材料纳入到自己的产品目录当中。比较有(yǒu)代表性的是EOS在2020年公布了纯Cu和CuCrZr的数据手册，2021年又(yòu)推出两类材料的AMCM（EOS旗下子公司，生产定制设备，Additive Manufacturing Customized Machine）版本。
SLM Solutions陆续上線(xiàn)CuSn10、CuCrZr产品数据，2019年该公司推出兼顾强度和导電(diàn)导热性的CuNi2SiCr产品，可(kě)用(yòng)于模具和電(diàn)气领域，成為(wèi)增材制造铜合金材料中一项重磅产品。
材料厂家TLS Technik、m4p、Sandvik、Makin等公司都公布有(yǒu)自己的增材制造铜合金产品。目前增材制造用(yòng)铜及铜合金材料集中于纯Cu、CuSn10、CuCrZr和CuNi2SiCr，虽然CuNiSn、CuCr、CuCrNb、CuAlFeNi等材料也有(yǒu)相关增材制造研究与应用(yòng)，但应用(yòng)程度还不及前四类产品。
有(yǒu)研粉末新(xīn)材料股份有(yǒu)限公司（简称“有(yǒu)研粉材”，股票代码 688456）是國(guó)内最大的铜粉供应商(shāng)，年销售各类铜及铜合金粉末超3万吨，旗下子公司北京康普锡威在國(guó)内较早开展了增材制造用(yòng)铜及铜合金粉末的研究与应用(yòng)，目前已形成较全系列的增材制造专用(yòng)铜及铜合金粉末产品，包括纯Cu、CuSn10、CuCrZr、CuNi2SiCr、CuAlFeNi等，在航空航天、模具、電(diàn)气等领域取得了重要应用(yòng)。
纯Cu
相对于铜合金，纯Cu的优势是其导電(diàn)和导热性，因為(wèi)各类铜合金在铜中添加元素后必然会损失导電(diàn)导热。由于纯铜在常规1064nm波長(cháng)即所谓红光波長(cháng)下吸收率较低，不易实现致密，因此纯Cu打印一直是一个难题。
目前的解决方法一是利用(yòng)短波長(cháng)激光，如TRUMPF的515nm绿光激光设备，另一个是提高功率，如EOS的AMCM设备搭载了1Kw激光器用(yòng)于纯铜打印。无论是哪种类型设备打印，想要获得高致密度或者说高导電(diàn)导热纯铜制件都需要原料粉末保持高纯净度的同时还具有(yǒu)更易实现致密化的粉末特性，如粒径分(fēn)布合理(lǐ)，流动性好，松装密度高等特点。就纯铜粉末制备而言，保持材料高纯度同时保持高球形度是追求目标。
CuSn10
CuSn10作為(wèi)一种铸造锡青铜易于成型，很(hěn)多(duō)涉及铜材料的模型或工艺品打印选用(yòng)CuSn10材料。CuSn10合金强度较高，耐磨和耐腐蚀性能(néng)优良，可(kě)以用(yòng)于制造叶片、齿轮等耐磨零件，但其导電(diàn)导热性能(néng)不高，因此对于有(yǒu)导電(diàn)或导热要求一般不选用(yòng)CuSn10。CuSn10属于目前增材制造铜合金材料中的常规产品。
CuCrZr
火箭发动机是铜合金的典型应用(yòng)场景。发动机内衬及相关零部件材料要求极高，一方面由于燃烧室燃烧温度极高（超过3000℃），另一方面高温高压及高速燃气对材料有(yǒu)很(hěn)强的侵蚀。CuCr合金是一种典型的沉淀强化型铜合金，而Zr元素的加入可(kě)以促进Cr相析出，改善析出相分(fēn)布，同时Zr与Cu形成的铜锆化合物(wù)可(kě)起到沉淀强化的作用(yòng)，因此CuCrZr合金力學(xué)性能(néng)优异，可(kě)以用(yòng)于火箭发动机零部件制造。近年来國(guó)内航天单位围绕火箭发动机推力室零件的增材制造开展了较多(duō)研究和开发工作，CuCrZr是当前可(kě)选材料。值得一提的是，火箭发动机零件用(yòng)铜合金材料仍在不断更新(xīn)迭代之中，CuZr、CuCr、CuAgZr、CuCrNb等材料陆续都有(yǒu)应用(yòng)研究，尤其是美國(guó)NASA正在进行增材制造验证的GRcop-42（Cu-4Cr-2Nb at%），有(yǒu)望将火箭发动机燃烧室材料提升至新(xīn)的等级。
CuNi2SiCr
率先将该材料用(yòng)于增材制造并开展了材料鉴定和参数验证工作，為(wèi)增材制造铜合金家族增加了一项重要成员。CuNi2SiCr热处理(lǐ)后的强度明显高于CuCrZr等材料，同时还能(néng)保持一定的导热率和导電(diàn)率，已经能(néng)够满足部分(fēn)模具制造要求和导電(diàn)件要求，因此在模具和電(diàn)气领域将有(yǒu)重要应用(yòng)。
相对于如钛、铝、高温合金等产品，铜及铜合金的增材制造还不成熟。EOS自2019年為(wèi)材料产品引入类似技术储备水平（TRL，Technology Readiness Level）的概念，目前两类铜材料标记為(wèi)3级，属于验证通过水平，而IN718、AlSi10Mg等产品一般為(wèi)7-9级。现阶段增材制造已经从模型验证逐渐转向产品制造，增材制造材料将进入根据应用(yòng)选择或设计材料的阶段，铜及铜合金材料的更新(xīn)迭代體(tǐ)现更為(wèi)明显。可(kě)以预见随着工艺和材料的不断进步，铜材料的增材制造应用(yòng)将会提升至一个新(xīn)的水平。