3D打印用銅及銅合金材料發(fā)展現(xiàn)狀概述
銅及銅合金是一類有重要應(yīng)用的關(guān)鍵材料。由于具有優(yōu)良的導(dǎo)熱、導(dǎo)電、延展、耐腐蝕等特性,銅在航空航天、武器裝備某些應(yīng)用場合是必選材料。在增材制造中,銅材料應(yīng)用較晚,但近年來呈現(xiàn)快速發(fā)展趨勢,尤其國防軍工領(lǐng)域銅合金增材制造應(yīng)用不斷取得重要進展,更促進了銅材料增材制造的發(fā)展。近兩年增材制造行業(yè)能夠明顯感受到銅合金需求的增長,不斷有新用戶著手開發(fā)銅合金增材制造應(yīng)用,材料也從早期易于成型的鑄造錫青銅轉(zhuǎn)向純銅和各類高強高導(dǎo)銅。有研究報告稱,2019-2027年期間,全球銅增材制造市場將以51%的年復(fù)合增長率增長。盡管當(dāng)前銅合金打印還存在諸多工藝和材料問題,但可以預(yù)見,銅在金屬增材制造中將占有一席之地。
目前許多國外知名增材制造廠家已經(jīng)將銅材料納入到自己的產(chǎn)品目錄當(dāng)中。比較有代表性的是EOS在2020年公布了純Cu和CuCrZr的數(shù)據(jù)手冊,2021年又推出兩類材料的AMCM(EOS旗下子公司,生產(chǎn)定制設(shè)備,Additive Manufacturing Customized Machine)版本。SLM Solutions陸續(xù)上線CuSn10、CuCrZr產(chǎn)品數(shù)據(jù),2019年該公司推出兼顧強度和導(dǎo)電導(dǎo)熱性的CuNi2SiCr產(chǎn)品,可用于模具和電氣領(lǐng)域,成為增材制造銅合金材料中一項重磅產(chǎn)品。材料廠家TLS Technik、m4p、Sandvik、Makin等公司都公布有自己的增材制造銅合金產(chǎn)品。目前增材制造用銅及銅合金材料集中于純Cu、CuSn10、CuCrZr和CuNi2SiCr,雖然CuNiSn、CuCr、CuCrNb、CuAlFeNi等材料也有相關(guān)增材制造研究與應(yīng)用,但應(yīng)用程度還不及前四類產(chǎn)品。有研粉末新材料股份有限公司(簡稱“有研粉材”,股票代碼688456)是國內(nèi)最大的銅粉供應(yīng)商,年銷售各類銅及銅合金粉末超3萬噸,旗下子公司北京康普錫威在國內(nèi)較早開展了增材制造用銅及銅合金粉末的研究與應(yīng)用,目前已形成較全系列的增材制造專用銅及銅合金粉末產(chǎn)品,包括純Cu、CuSn10、CuCrZr、CuNi2SiCr、CuAlFeNi等,在航空航天、模具、電氣等領(lǐng)域取得了重要應(yīng)用。
1、純Cu
相對于銅合金,純Cu的優(yōu)勢是其導(dǎo)電和導(dǎo)熱性,因為各類銅合金在銅中添加元素后必然會損失導(dǎo)電導(dǎo)熱。由于純銅在常規(guī)1064nm波長即所謂紅光波長下吸收率較低,不易實現(xiàn)致密,因此純Cu打印一直是一個難題。目前的解決方法一是利用短波長激光,如TRUMPF的515nm綠光激光設(shè)備,另一個是提高功率,如EOS的AMCM設(shè)備搭載了1Kw激光器用于純銅打印。無論是哪種類型設(shè)備打印,想要獲得高致密度或者說高導(dǎo)電導(dǎo)熱純銅制件都需要原料粉末保持高純凈度的同時還具有更易實現(xiàn)致密化的粉末特性,如粒徑分布合理,流動性好,松裝密度高等特點。就純銅粉末制備而言,保持材料高純度同時保持高球形度是追求目標(biāo)。
2、CuSn10
CuSn10作為一種鑄造錫青銅易于成型,很多涉及銅材料的模型或工藝品打印選用CuSn10材料。CuSn10合金強度較高,耐磨和耐腐蝕性能優(yōu)良,可以用于制造葉片、齒輪等耐磨零件,但其導(dǎo)電導(dǎo)熱性能不高,因此對于有導(dǎo)電或?qū)嵋笠话悴贿x用CuSn10。CuSn10屬于目前增材制造銅合金材料中的常規(guī)產(chǎn)品。
3、CuCrZr
火箭發(fā)動機是銅合金的典型應(yīng)用場景。發(fā)動機內(nèi)襯及相關(guān)零部件材料要求極高,一方面由于燃燒室燃燒溫度極高(超過3000℃),另一方面高溫高壓及高速燃氣對材料有很強的侵蝕。CuCr合金是一種典型的沉淀強化型銅合金,而Zr元素的加入可以促進Cr相析出,改善析出相分布,同時Zr與Cu形成的銅鋯化合物可起到沉淀強化的作用,因此CuCrZr合金力學(xué)性能優(yōu)異,可以用于火箭發(fā)動機零部件制造。近年來國內(nèi)航天單位圍繞火箭發(fā)動機推力室零件的增材制造開展了較多研究和開發(fā)工作,CuCrZr是當(dāng)前可選材料。值得一提的是,火箭發(fā)動機零件用銅合金材料仍在不斷更新迭代之中,CuZr、CuCr、CuAgZr、CuCrNb等材料陸續(xù)都有應(yīng)用研究,尤其是美國NASA正在進行增材制造驗證的GRcop-42(Cu-4Cr-2Nb at%),有望將火箭發(fā)動機燃燒室材料提升至新的等級。
4、CuNi2SiCr
SLM Solutions公司于2019年推出CuNi2SiCr銅合金材料產(chǎn)品,該材料是一種可熱處理硬化合金,具有高強度以及電導(dǎo)率和導(dǎo)熱率的平衡組合,同時合金中包括鎳和硅成分,具有很高的耐腐蝕性和耐磨性。CuNi2SiCr本身不是一個新成分,該材料對應(yīng)美標(biāo)C18000合金,SLM Solutions公司率先將該材料用于增材制造并開展了材料鑒定和參數(shù)驗證工作,為增材制造銅合金家族增加了一項重要成員。CuNi2SiCr熱處理后的強度明顯高于CuCrZr等材料,同時還能保持一定的導(dǎo)熱率和導(dǎo)電率,已經(jīng)能夠滿足部分模具制造要求和導(dǎo)電件要求,因此在模具和電氣領(lǐng)域?qū)⒂兄匾獞?yīng)用。
相對于如鈦、鋁、高溫合金等產(chǎn)品,銅及銅合金的增材制造還不成熟。EOS自2019年為材料產(chǎn)品引入類似技術(shù)儲備水平(TRL,Technology Readiness Level)的概念,目前兩類銅材料標(biāo)記為3級,屬于驗證通過水平,而IN718、AlSi10Mg等產(chǎn)品一般為7-9級。現(xiàn)階段增材制造已經(jīng)從模型驗證逐漸轉(zhuǎn)向產(chǎn)品制造,增材制造材料將進入根據(jù)應(yīng)用選擇或設(shè)計材料的階段,銅及銅合金材料的更新迭代體現(xiàn)更為明顯。可以預(yù)見隨著工藝和材料的不斷進步,銅材料的增材制造應(yīng)用將會提升至一個新的水平。
來源:AMReference 3D打印技術(shù)參考
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來源:賢集網(wǎng)
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