铜合金在增材制造领域的研究进展

1 绪论：铜合金增材制造的背景和需求

铜合金作为核心功能材料，在高效热管理系统、大电流承载部件及抗电磁干扰屏蔽结构中广泛应用。传统铸造与机加工在制造复杂内流道、薄壁网格结构时存在局限性，而增材制造凭借无模化、高设计自由度等优势成为突破技术瓶颈的关键路径。尤其随着新能源电动汽车对轻量化集成散热器需求激增，以及聚变装置第一壁高热流密度部件的性能升级，高致密度、高精度铜合金增材制造技术成为国际研究热点。本章通过梳理深入研究铜合金增材制造的材料体系、工艺技术、性能优化及应用现状，阐明该技术的战略价值与发展紧迫性，为后续关键技术分析奠定背景基础

2 铜合金增材制造材料体系发展进程

铜合金增材制造的材料体系演变始终围绕“高导热性与导电性 -高强度 - 工艺适应性”的平衡展开，其发展历程可划分为三个阶段：早期（2010 - 2016 年）以纯铜和青铜为主要研究对象，中期（2017 -2021 年）聚焦于高强铜合金的研发，近期（2022 年至今）则朝着复合材料及特种合金方向拓展。

纯铜作为研究起点有根本性难题，其对 1064nm 红外激光反射率高达 95.6% ，导致传统激光粉末床熔融能量吸收率不足，成形件致密度低于 90% 。这促使工艺与材料不断协同创新，但纯铜低强度限制其在承力部件应用。为突破强度限制，时效强化型合金成第二阶段研究核心。铜铬锆合金经激光粉末床熔融成形与时效处理后有较高抗拉强度和导电率；铜镍硅合金实现强度、导电率与耐磨性平衡。合金元素对工艺窗口影响显著。当前，材料研发进入第三阶段——多尺度复合强化阶段。纳米增强领域，美国 NASA 的 GRCop - 42 合金使 650°C 高温强度较纯铜提升 8 倍，用于“阿尔忒弥斯”登月火箭燃烧室；德国莱茵金属公司的Cu/0.3 wt.%TiC 复合材料细化晶粒，强度提高 40% ，热导率保持 380W/m⋅K 。未来，材料设计将与计算材料学融合，推动材料体系向高通量设计发展。

3 铜合金增材制造工艺技术发展进程研究

铜合金增材制造工艺技术的发展实现了从传统工艺到现代高精尖技术的跃迁。伴随激光熔覆、电子束熔化、粉末烧结等先进技术的持续涌现，铜合金增材制造在精度、效率和性能方面均获得了显著提高。铜合金增材制造工艺的技术创新始终围绕攻克高反射率、高热导率、易氧化这三大核心难题展开，经历了从单一能量源突破到多工艺协同优化的发展路径。

在早期阶段（2015 - 2018 年），主要采用红外激光粉末床熔融技术。铜的反射率高导致熔池稳定性欠佳、孔隙率超出标准范围。2017 年，德国通快公司推出 515nm 绿光激光 LPBF 系统，将纯铜的吸收率提升至65% ，并配合脉冲调制策略，使致密度突破 99% 。同一时期，电子束熔融技术在铜铬锆等合金成形过程中实现了接近全致密的效果，该技术被应用于无氧铜加速器腔体的制造，但存在表面粗糙度较大和精度不足的问题。中期阶段（2019 - 2022 年），进入工艺精细化调控阶段，此阶段的核心在于熔池动力学的优化以及缺陷的抑制。针对匙孔效应引发的孔隙问题，美国劳伦斯利弗莫尔国家实验室提出“低功率高扫描速”的稳定熔池区间，使纯铜的孔隙率降低至 0.5% 以下。后期阶段（2023 年至今），前沿探索聚焦于复合工艺与超高速成形。一方面，冷喷涂 - 激光复合成形技术实现了高导电铜层与铝合金散热器的无缺陷结合，界面强度达到纯铜的 90% 。另一方面，蓝光激光 LPBF 拓展了工艺窗口，日本松下公司验证了 450nm 蓝光的优势，成功打印出微通道散热器。未来，工艺发展将朝着智能化与极端制造方向拓展。

4 铜合金性能优化关键技术发展进程研究

在铜合金增材制造领域，性能优化一直是科研人员关注的重点。除了上述提到的激光源和粉末制备工艺的优化，还有其他几项关键技术对铜合金性能的提升起到了关键作用。一方面，热处理技术被广泛用于改善铜合金的微观结构和力学性能。通过精确控制加热、保温和冷却过程，可以细化晶粒、消除残余应力，并提高材料的强度和韧性。科研人员不断研究新的热处理工艺，以实现更佳的性能表现。另一方面，表面处理技术也是提升铜合金性能的重要手段。例如，通过化学镀、电镀或喷涂等方法，在铜合金表面形成一层具有特殊功能的涂层，可以提高其耐腐蚀性、耐磨性或生物相容性。这些涂层技术不仅改善了铜合金的表面性能，还拓展了其应用领域。

此外，科研人员还在不断探索新的合金化元素和添加剂，以进一步改善铜合金的性能。通过合理的合金化设计，可以调整材料的成分和组织结构，从而获得更优异的力学性能、物理性能或化学性能。这些新型铜合金的开发和应用，为增材制造领域带来了更多的可能性和机遇。随着这些性能优化关键技术的不断进步，铜合金在增材制造领域的应用前景将更加广阔。

5 铜合金增材制造的应用现状研究

目前，铜合金增材制造技术应用案例已广泛覆盖航空航天、电子电力、医疗器械、模具制造及汽车制造等关键领域。在航空航天领域，该技术用于制造发动机部件、热交换器等关键组件，要求高精度、高强度与良好导热性。在医疗器械领域，用于制造骨骼修复植入物等复杂结构植入物，需优异生物相容性和耐腐蚀性。在电子电力领域，广泛应用于制造高导电性连接器等部件，要具备优异导电性、高强度和良好热管理性能以确保电子设备稳定运行。在模具制造领域，用于快速原型制作和定制化模具生产，提高制造效率和精度，降低成本。在汽车制造领域，用于制造发动机支架等轻量化部件，有助于提高汽车燃油效率和性能。这些案例展示了该技术在多领域的广泛应用和重要性。随着技术进步，其在更多领域的应用将拓展，为工业生产和创新提供更多可能。

6 结语

综上所述，铜合金在增材制造领域研究进展迅速，在材料体系、工艺技术和性能优化方面成效显著，且在航空航天、电子电力、医疗设备等高端装备领域有广泛应用潜力。随着全球对高性能材料需求增长，铜合金增材制造技术仍是研究焦点。未来，科研工作者将探寻新型铜合金材料、优化制造工艺、提升材料性能以满足更多应用需求。同时，加强跨学科协作，推动其与智能制造、数字化技术深度融合，是该领域持续发展的关键。展望未来，铜合金增材制造技术将在更多领域发挥重要作用，推动自身发展，为工业升级和科技进步贡献力量，带来更多创新与变革。

刘志远

出生年月：1995 年 7 月

性别：男

籍贯：黑龙江省齐齐哈尔市

学历：本科

职称：初级工程师

研究方向：有色金属冶炼及压延加工作者单位