黑科技：激光選擇性熔化（SLM）銅合金取得重要進展

初識高導電率銅

高導電率銅合金在軍(jun) 工、航空航天、艦船製造、高鐵、地鐵、電動汽車、通訊設備等領域廣泛應用，但我國每年需要的高導電銅合金50%依靠進口。該材料在航空航天、艦船等應用，由於(yu) 導電性能更優(you) 秀，所需材料少，可減輕航空器和艦船等本體(ti) 重量，節材降耗，還能再多裝載其他設備等；用於(yu) 互聯網、通訊設備等，信息傳(chuan) 遞速度更快；應用於(yu) 電動汽車電池，比現在的電池一次充電能多跑10—20公裏等；用於(yu) 海底電纜，由於(yu) 安全和耐腐耐用，使用年限更長，節省了電纜更換的巨額費用等。

高導電銅的應用

銅金屬3D打印技術主要被應用在航空、國防領域，美國Aerojet Rocketdyne研發的RL10液氫燃料火箭發動機中就使用了3D打印的銅合金推力室部件。美國航天局NASA 在銅質發動機燃燒室內(nei) 襯3D打印方麵也取得了突破，打印材料為(wei) GRCo-84銅合金。

銅以其延展性而聞名，是金屬3D打印機看似理想的打印材料。此外，金屬表現出僅(jin) 次於(yu) 銀的導熱率水平，並且高導電性使其適用於(yu) 工業(ye) 應用。

但銅合金的激光3D打印卻不是一件容易的事情，我們(men) 所周知的原因如下：

1）銅合金和金銀一樣，導熱性能良好、比熱容小、浸濕性能差、表麵有堅硬的氧化膜，對光斑的反射率較大，這就使得激光產(chan) 生的熱量在其表麵不易停留，直接熔覆功能塗層難以實現；做激光的太容易理解這一點了，銅合金反射鏡就是在激光中的典型應用。

2）銅合金基體(ti) 與(yu) 塗層的材料體(ti) 係之間的性能差別很大，使用過程中的界麵失效問題要得到一定的重視，在中間要有相應的過渡層連接；銅合金、金銀的延展性好，大家也是太熟悉不過了，

3）塗層內(nei) 韌性不足，熱裂和應力等缺陷存在於(yu) 塗層內(nei) 部。

由於(yu) 銅的導熱性和反射性極佳，這使得銅金屬在3D打印機內(nei) 部難以操作。但是銅金屬在激光熔化的過程中，吸收率低，激光難以持續熔化銅金屬粉末，從(cong) 而導致成形效率低，冶金質量難以控製等問題。此外，銅的高延展性給去除多餘(yu) 粉末這樣的後處理工作增加了難度。

“根據表麵性質，”弗勞恩霍夫激光技術研究所（Fraunhofer ILT）快速製造小組研究員Daniel Heussen解釋說，“純銅會(hui) 反射高達90％的激光輻射。”

“根據表麵性質的不同，”Fraunhofer ILT快速製造集團研究員Daniel Heussen解釋說，“純銅在常規使用的1μm激光波長中反射高達90％的激光輻射能量。”

綠色SLM

為(wei) 了解決(jue) 銅對激光的高反射問題，Heussen和他的同事們(men) 正在推出“SLM綠色”項目，旨在改變3D打印機在銅粉末床上加工所遇到的挑戰。

ILT Heussen和同事們(men) 正在開展“綠色SLM”項目，尋求改變3D打印機從(cong) 銅粉末床上製造物體(ti) 的方式

形狀記憶合金的實際應用：

(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）

中國礦業(ye) 大學的Yue Zhang等人進行了Cu50Zr50的SLM研究，如下圖顯示了在掃描時溫度的分布變化。

SLM加工過程中溫度的分布變化，其中紅色的區域和箭頭是激光所在的區域

（中國礦業(ye) 大學的Yue Zhang等人）

進行Cu50Zr50 合金SLM研究時結構的演變： (a) 俯視圖和截麵圖； (b) 詳細的區域放大圖（中國礦業(ye) 大學的Yue Zhang等人）

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另外據報道，日本6大工業(ye) 機器人開發商之一的Daihen公司和日本國家技術研究所（大阪府）最近似乎已經聯合找到了解決(jue) 之道 — 通過使用銅合金粉末和傳(chuan) 統的M2金屬3D打印機，他們(men) 開發出了一種叫做3D層壓成型的新方法。而據江蘇激光聯盟秘書(shu) 處了解，這種方法的主要優(you) 點就是既能實現銅的3D成型，又能很大程度上保證其不會(hui) 失去原有屬性（主要是導電性和導熱性）。事實上根據研究者的說法，如果重點關(guan) 注導電性，這種方法最高可實現打印件90%的純銅率，並且還能將銅的抗拉伸性能“植入”到打印件當中！不過除此之外，這種技術也有其它優(you) 點，比如在製造單獨部件上能顯著縮短時間，從(cong) 而提高效率，降低成本。基於(yu) 上述優(you) 點，這種新技術有望在航空航天，汽車和醫療等許多領域得到廣泛應用。而事實上，其開發團隊已經利用它取得了一些成果，比如3D打印出了以往很難通過3D打印製造出的疊層激光器，以及成功改造了大電流水冷櫃，令其冷卻性能明顯提高，尺寸和重量卻明顯下降。