銅合金增材制造技術(shù)研究進(jìn)展

（南昌航空大學(xué) 焊接工程系，南昌 330063）

增材制造技術(shù)又稱(chēng)為快速成形技術(shù)、3D打印技術(shù)[1]，具有原材料利用率高、無(wú)需夾具、成本低、從產(chǎn)品設(shè)計(jì)到成品加工過(guò)程周期短等特點(diǎn)，在材料加工、傳統(tǒng)制造業(yè)以及航空航天精密復(fù)雜部件中廣受青睞，具有良好的應(yīng)用前景，也成為時(shí)下高校、研究院研究熱點(diǎn)之一[2]。銅合金因其良好的導(dǎo)電、導(dǎo)熱、鑄造以及抗腐蝕性能，在電力、航空航天、電子等行業(yè)應(yīng)用廣泛[3—4]。隨著產(chǎn)品市場(chǎng)周期的縮短、技術(shù)水平的提升以及綠色環(huán)保理念不斷地深入人心，對(duì)產(chǎn)品的加工工藝、加工成本、環(huán)保性都有了更高的要求[5]。傳統(tǒng)制造技術(shù)在這方面有很大的局限性，而增材制造技術(shù)具有明顯優(yōu)勢(shì)，銅合金增材制造技術(shù)成為研究熱點(diǎn)之一，國(guó)內(nèi)外學(xué)者從工藝方法、力學(xué)性能、成形微觀(guān)組織、增材的物理性能（導(dǎo)電、導(dǎo)熱、致密度）等方面對(duì)銅合金的增材制造技術(shù)進(jìn)行了相關(guān)研究。

1 銅合金增材制造技術(shù)工藝方法

銅合金種類(lèi)繁多，且材料性質(zhì)各不相同，選取合適的熱源尤為關(guān)鍵，同時(shí)，銅合金材料狀態(tài)也是影響增材制造性能的重要因素[6—7]。國(guó)內(nèi)外相關(guān)文獻(xiàn)研究發(fā)現(xiàn)，銅合金增材制造技術(shù)大致有以下幾種：激光增材制造銅合金技術(shù)[8—13]、電子束增材制造銅合金技術(shù)[14—20]、電弧增材制造銅合金技術(shù)[21—22]、超聲波增材制造銅合金技術(shù)等[23]。

1.1 激光增材制造銅合金技術(shù)

激光增材制造(Laser Additive Manufacturing,LAM)技術(shù)是一種兼顧精確成形和高性能成形需求的一體化制造技術(shù)，包括激光工程化凈成形(Laser Engineer Net Shape, LENS)[8]和選區(qū)激光增材制造(Selective Laser Melting, SLM)[9—13]。

銅合金具有優(yōu)越的導(dǎo)熱導(dǎo)電性，以及強(qiáng)度低、密度高等特性，常與結(jié)構(gòu)材料結(jié)合使用，達(dá)到提升零件綜合性能的目的，如鎳合金等。在工程應(yīng)用中，能否制造這種具有綜合性能的雙金屬結(jié)構(gòu)成為限制工程應(yīng)用的技術(shù)關(guān)鍵。為解決這一問(wèn)題，美國(guó)機(jī)械材料工程大學(xué)雙金屬材料研究實(shí)驗(yàn)室采用激光工程化凈成形(LENS)技術(shù)，在美國(guó)牌號(hào)為Inconel 718的鎳合金板上熔覆 GRCop-84銅合金，實(shí)現(xiàn)了鎳-銅合金雙金屬結(jié)構(gòu)制造，以銅合金良好的熱導(dǎo)率和電導(dǎo)率彌補(bǔ)了鎳合金導(dǎo)熱和導(dǎo)電性差的問(wèn)題。該研究表明： ①很難實(shí)現(xiàn)直接在鎳板上熔覆銅合金粉末； ②當(dāng)填加銅合金粉末和鎳合金粉末質(zhì)量分?jǐn)?shù)各占 50%的過(guò)渡層時(shí)，能實(shí)現(xiàn)表面形態(tài)良好、層間連續(xù)并且結(jié)構(gòu)完整性良好的熔覆結(jié)果。同時(shí)研究人員對(duì)熱擴(kuò)散進(jìn)行測(cè)定，雙金屬結(jié)構(gòu)溫度為50～300 ℃時(shí)，熱擴(kuò)散速度為11.33 mm2/s，相比鎳合金的熱擴(kuò)散速度 3.20 mm2/s，提升250%；相比鎳合金，雙金屬結(jié)構(gòu)的電導(dǎo)率增加300%。該研究的意義在于不僅提供了一種制備銅鎳合金的雙金屬制造方法，而且對(duì)制造多種性能的多金屬結(jié)構(gòu)研究提供了參考方向[7]。

增材制造銅合金零件是另一種增材制造研究方向，集中研究了工藝參數(shù)對(duì)制備樣品密度、微觀(guān)組織及力學(xué)性能的影響。德國(guó)采用 Cu-10Sn粉末為原材料，通過(guò)選區(qū)激光熔化技術(shù)(SLM)進(jìn)行增材制造，并對(duì)比其與鑄造試樣的微觀(guān)組織和力學(xué)機(jī)械性能，結(jié)果表明，SLM 獲得的相與鑄造相同，但強(qiáng)度更好，組織更細(xì)小均勻[8]。中南大學(xué)粉末冶金國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室以氣體霧化制備的Cu-15Ni-8Sn原料粉末為原材料，采用選區(qū)激光熔化進(jìn)行增材制造，研究了激光能量密度對(duì)Cu-15Ni-8Sn原料粉末熔化及宏觀(guān)成形的影響。當(dāng)能量密度為 35 J/mm3時(shí)，可以觀(guān)察到呈無(wú)序的橢圓形熔化隧道，存在尺寸大約為20 μm的未熔化粉末顆粒和孔洞；當(dāng)能量密度增大到 70 J/mm3時(shí)，熔化隧道變長(zhǎng)，孔洞和未熔化粉末顆粒減少，成形變好；當(dāng)能量密度達(dá)到142 J/mm3時(shí)，同層熔化隧道之間形成連續(xù)的狀態(tài)，只在極少區(qū)域發(fā)現(xiàn)孔洞，粉末完全熔化，獲得致密度達(dá)到99.4%的Cu-15Ni-8Sn材料[10]。SLM 能量輸入對(duì)銅合金粉末增材制造成形有極大影響，SLM 可以提高銅合金的力學(xué)性能，并且有細(xì)化晶粒的作用。Szemkus等[12]把尺寸為 25～150 μm的銅合金粉末、鉻合金粉末混合，得到75%Cu-25%Cr（質(zhì)量分?jǐn)?shù)），采用激光增材制造 Cu-Cr電接觸產(chǎn)品，如圖 1所示，試樣制備采用如下參數(shù)：激光掃描速度為400 mm/s，能量為220 W，通過(guò)OM和SEM對(duì)制造的 Cu-Cr部件進(jìn)行孔隙率分析，獲得最低孔隙率為 3.3%，但存在如生產(chǎn)效率低、加工成本高等不足。Szemkus等[12]預(yù)測(cè)采用電子束作為熱源能提高生產(chǎn)率。

圖1 SLM和傳統(tǒng)工藝下的銅合金產(chǎn)品[12]Fig.1 Copper alloy product made with SLM and traditional process

俄羅斯[12]采用霧化法制備 Cu-Cr-Zr-Ti合金粉末，選區(qū)激光熔化增材制造 Cu-Cr-Zr-Ti試樣塊，其致密度達(dá)97.9%，晶粒尺寸范圍為30～250 μm，生長(zhǎng)方向沿增材制造方向，固溶時(shí)效后的晶粒比固溶時(shí)效前粗大，室溫抗拉強(qiáng)度為 195～211 MPa，伸長(zhǎng)率為11%～16%；在600和800 ℃下測(cè)試，抗拉強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率都低于室溫。

異于其他金屬，銅在電路方面也具有廣泛應(yīng)用，對(duì)于電路的增材制造也有研究涉及。Hou等[11]以銅合金粉末和高密度聚乙烯粉末混合為材料，采用選區(qū)激光作熱源，制造3D導(dǎo)電軌道，研究了銅合金粉末與高密度聚乙烯粉末的體積比對(duì)導(dǎo)電軌道電阻率的影響，對(duì)比單道掃描和光柵掃描對(duì)導(dǎo)電導(dǎo)軌電阻率的影響，銅合金粉末體積為60%，電阻率最低為(1.9±0.1)×10-4Ω·cm，同樣的比例采用光柵掃描使電阻率降低到(0.35±0.04)×10-4Ω·cm，利用此參數(shù)成功實(shí)現(xiàn)了 3D電路制造，為設(shè)備電路制造提供一個(gè)新思路。

銅合金激光增材制造技術(shù)一般都采用粉末作為原材料，粉末尺寸大致在10～150 μm之間，粉末的制備方法多為霧化法制備。激光增材制造不足主要表現(xiàn)為難達(dá)到零孔隙率、組織難控制、加工成本高、效率低、對(duì)增材粉末要求較高、保護(hù)氛圍嚴(yán)格。激光增材制造是銅合金增材制造技術(shù)研究中較熱門(mén)的加工工藝方法，激光的能量密度高，參數(shù)可控性好，受到研究者的青睞，經(jīng)過(guò)技術(shù)的改進(jìn)與工藝優(yōu)化，銅合金激光增材制造具有很大價(jià)值。

1.2 電子束增材制造銅合金技術(shù)

電子束增材制造(EBM)技術(shù)包括電子束熔絲沉積成形技術(shù)和電子束選區(qū)熔化技術(shù)[1]。電子束增材制造特點(diǎn)在于高熔覆效率和真空室對(duì)工件的保護(hù)，但對(duì)于輕合金而言，在真空中，電子束的轟擊使金屬蒸發(fā)，內(nèi)部組織氣孔傾向增大[2]。對(duì)于純銅來(lái)講，純銅對(duì)激光有高反射率，吸收率低于 2%，因此，采用電子束增材制造技術(shù)對(duì)純銅進(jìn)行增材制造具有潛力[14]。

德國(guó)對(duì)純度為 99.95%的銅，采用電子束選區(qū)熔化技術(shù)增材制造，低電子束能時(shí)未完全熔化，存在典型氣孔、隧道、裂紋[14]。美國(guó)Murr等[15]對(duì)純銅粉末進(jìn)行電子束增材制造，TEM 分析發(fā)現(xiàn)產(chǎn)生高密度位錯(cuò)和Cu2O析出相。Ramirez等[16]進(jìn)一步對(duì)Cu2O析出相存在位置進(jìn)行確定，發(fā)現(xiàn)其出現(xiàn)在正常晶粒和亞晶粒交接處，并產(chǎn)生沉積位錯(cuò)，對(duì)組織顯微硬度有明顯的強(qiáng)化作用，硬度高達(dá)HV88，而純度為98.5%的銅板硬度為HV57。熔點(diǎn)相差很大的合金粉末在增材制造中，很容易出現(xiàn)高熔點(diǎn)金屬粉末不熔化的現(xiàn)象，嵌入組織中會(huì)形成缺陷。Momeni等[20]采用混合粉末75%Cu-25%Cr（質(zhì)量分?jǐn)?shù)），以電子束作熱源進(jìn)行增材制造。Cu合金粉末熔化時(shí)，Cr粉末還保持固體狀態(tài)，Cr粉末需要極高的溫度才能熔化。由于極快地熔化、冷卻，造成極細(xì)的Cr顆粒分布在Cu組織中。

增材制造除了制造高密度的零件，制造均勻網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)也是研究之一，在熱控制或熱交換等應(yīng)用中具有潛力。Ramirez等[18]采用電子束增材制造開(kāi)放式蜂窩-銅網(wǎng)和隨機(jī)泡沫式銅網(wǎng)，直徑為 65 μm的銅粉含有Cu2O，純度為99.8%。計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)模型(CAD)制備開(kāi)放式蜂窩銅網(wǎng)，密度從1.20到6.67 g/cm3，最高密度達(dá)到8.02 g/cm3。Lodes等[19]采用純度為99.94%的銅合金粉末增材制造熱交換器；純銅良好的散熱性能導(dǎo)致大量熱量散失，成為增材制造中最大的障礙。

除了以粉末作為增材制造原材料以外，還可以采用絲材作為材料。中國(guó)哈爾濱工業(yè)大學(xué)實(shí)驗(yàn)室[17]采用直徑為1.2 mm的T2態(tài)銅合金和304不銹鋼絲作為材料，304不銹鋼絲熔覆兩層，之后用銅合金絲增材制造；在第一層的塊狀組織中出現(xiàn)α相，隨著熔覆層數(shù)增加，鐵元素?cái)?shù)量和α相尺寸逐漸降低，超過(guò)3層后，很難再發(fā)現(xiàn)α相；α相呈球形和樹(shù)突狀，若ε相不存在于樹(shù)突組織中，則存在于球形組織中，α相是沉積相，ε相是擴(kuò)散相；低冷卻速度和有序轉(zhuǎn)變過(guò)程使熔覆過(guò)程中產(chǎn)生FeCu4亞穩(wěn)相，推斷FeCu4亞穩(wěn)相以球狀黑點(diǎn)存在于鐵中，但在第一層，銅合金與不銹鋼邊界出現(xiàn)了裂紋。異種金屬增材制造雙金屬結(jié)構(gòu)不能避免新相或金屬間化合物的產(chǎn)生，這對(duì)于雙金屬結(jié)構(gòu)的性能具有較大影響。

電子束作為高能量密度熱源，備受研究者關(guān)注，電子束對(duì)真空環(huán)境要求嚴(yán)格，易造成氣孔、變薄等工藝特征，銅合金增材制造同樣會(huì)出現(xiàn)這些特征。在異種粉末混合增材制造過(guò)程中，需要集中考慮粉末的熔點(diǎn)，避免出現(xiàn)高熔點(diǎn)粉末未熔化的現(xiàn)象；對(duì)于銅合金電子束增材制造優(yōu)化控制方面極少涉及。純銅增材制造研究較多，而其余銅合金增材制造研究甚少，近年來(lái)國(guó)內(nèi)外銅合金高能束增材制造技術(shù)的部分研究見(jiàn)表1。

表1 目前的激光/電子束銅合金增材制造Tab.1 Current Laser/electron beam AM of copper alloy

1.3 電弧增材制造銅合金技術(shù)

電弧增材制造技術(shù)是將傳統(tǒng)弧焊技術(shù)加以?xún)?yōu)化而形成的一種增材制造技術(shù)，如鎢極惰性氣體保護(hù)焊(TIG)、熔化極惰性氣體保護(hù)焊(MIG)、等離子弧焊(PA)等。電弧增材制造技術(shù)具有成本低、熔覆率高、生產(chǎn)周期短的優(yōu)勢(shì)，但電弧較難控制。在銅合金增材制造領(lǐng)域，極少使用電弧作為熱源。

Liu等[21]采用熔化極惰性氣體保護(hù)焊電弧作熱源，直徑為0.8 mm的SG-CuSi3硅青銅和直徑為1.2 mm的ER70S-6低碳鋼作熔覆焊絲，在低碳鋼Q235B板上沉積單道多層低碳鋼-硅青銅異種（雙）金屬構(gòu)件，發(fā)現(xiàn)Cu元素在低碳鋼側(cè)無(wú)擴(kuò)散，而Fe元素在硅青銅側(cè)聚集，形成顆粒狀和塊狀，在硅青銅側(cè)出現(xiàn)Fe元素區(qū)和混合區(qū)，Si元素發(fā)生聚集，低碳鋼-硅青銅界面實(shí)現(xiàn)較好的冶金結(jié)合，未出現(xiàn)裂紋或孔洞。同樣高能束增材制造過(guò)程會(huì)出現(xiàn)元素偏聚和新相形成。DONG等[22]采用TIG電弧作熱源，Cu/Al雙絲與水平方向成30°角對(duì)稱(chēng)同時(shí)送絲，Cu絲的送絲速度為1300 mm/min，Al絲的送絲速度為311 mm/min，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)富銅Cu-Al合金增材制造，研究富銅Cu-Al合金微觀(guān)組織及力學(xué)性能。這種原位Cu/Al合金增材制造方法能通過(guò)改變送絲速度實(shí)現(xiàn)合金成分的控制，經(jīng)后續(xù)熱處理，實(shí)現(xiàn)組織均勻化，強(qiáng)化機(jī)械力學(xué)性能，是一種制造Cu-Al合金的新方法。

電弧作為熱源，在銅合金增材制造領(lǐng)域研究較少，電弧熔敷效率較高，絲材利用率高，成本低，對(duì)零件尺寸限制少，易于零件修復(fù)，與鑄造相比，不需要模具，設(shè)計(jì)的響應(yīng)速度快，適合小批量生產(chǎn)，但銅合金電弧增材制造有待進(jìn)一步研究。

1.4 固相增材制造技術(shù)

區(qū)別于激光、電子束、電弧為熱源的先熔化再增材制造的方法，超聲波增材制造(UAM)屬于固相增材制造工藝，以超薄金屬如金屬薄片、箔材為原料，大功率超聲設(shè)備將超聲能量轉(zhuǎn)化為機(jī)械振動(dòng)，通過(guò)夾持柄傳遞到金屬箔，使兩金屬箔相對(duì)振動(dòng)摩擦產(chǎn)熱，促使界面間金屬原子相互擴(kuò)散，形成固態(tài)物理冶金，實(shí)現(xiàn)逐層增材制造成形。NORFOLK等[23]以銅合金箔片作材料，采用超聲波增材制造，實(shí)現(xiàn)了6層完全密集無(wú)孔結(jié)構(gòu)。銅合金固相增材制造技術(shù)的研究十分欠缺，在這方面還有很多工作要做。

2 增材制造銅合金組織性能

2.1 增材制造銅合金微觀(guān)組織及物理性能

銅合金增材制造工藝異于傳統(tǒng)加工工藝，在宏觀(guān)及微觀(guān)組織上也存在差異，極易出現(xiàn)成分偏析、組織粗大、雜質(zhì)相，甚至裂紋、夾雜等缺陷。鎳合金底板到銅合金經(jīng) EDS掃描結(jié)果顯示，銅、鎳元素呈現(xiàn)均勻的過(guò)渡，XRD圖像顯示不同衍射角(2θ)對(duì)擴(kuò)散層界面掃描，未得到新的峰值[8]；而激光選區(qū)熔化增材制造錫青銅Cu-10Sn的XRD掃描結(jié)果顯示存在一個(gè)未定義的新峰值（新相）[9]。激光增材制造存在物理熔化、化學(xué)冶金等變化，會(huì)產(chǎn)生化合物或新相，對(duì)微觀(guān)組織及機(jī)械性能有很大影響。

銅合金絲和304不銹鋼絲在304不銹鋼板上電子束增材制造試樣中，α相首先從電子束斑點(diǎn)移開(kāi)位置的液相中析出，分布在第 1層熔化的銅合金形成塊中，且第1層中鐵分布十分不均勻，在熔覆第2層銅合金時(shí)，第1層中的鐵受熱而熔化，因此存在α相分散到ε相中，其余的α相分布在第1層與第2層交界處，隨著層數(shù)的增加，α相變得細(xì)小，并且數(shù)量越來(lái)越少，如圖 2所示。隨著溫度降低，F(xiàn)e元素在銅合金的溶解度下降，到最后Fe原子僅聚集在某些合適的晶面，生長(zhǎng)到樹(shù)突狀的α相中；在固溶之前，一些液相鐵聚集懸浮在熔池中，由于冷卻速度很快，形成球形組織，Cu原子在Fe中溶解度隨溫度降低而降低，因此Cu在球形組織中沉淀析出，與電子束焊接極為相似，在銅/不銹鋼界面出現(xiàn)裂紋[17]。

銅合金粉末與高密度聚乙烯粉末混合制造電路通道，對(duì)制造小型電子設(shè)備十分有潛力。G-s-3/7-15-120（高斯束-單道掃描-3/7銅合金粉末/HDPE-能量輸入15 W-掃描速度120 mm/s）高斯束特點(diǎn)能量集中在中間，用1/e2來(lái)近似，因此，從頂部觀(guān)察試樣分為兩部分，一是中心熔化部分，二是四周熱影響區(qū)。SEM圖像觀(guān)察到中心HDPE很容易熔化，甚至因蒸發(fā)而減薄，或者與未熔化的銅粉末形成結(jié)節(jié)結(jié)構(gòu)，在表面能很清晰地看見(jiàn)“HDPE線(xiàn)”；G-s-6/4-20-120中心區(qū)域能形成枝狀結(jié)構(gòu)，成形較好，G-s-pureCu-20-120導(dǎo)電軌道從中心到邊緣依次出現(xiàn)銅合金粉末從全熔化到不全熔化，純銅合金粉末如果得不到HDPE的支撐則具有很低的連接強(qiáng)度，對(duì)6/4的銅合金粉末/HDPE方案、G-s-6/4-20-120和G-r-6/4-20-120（r為光柵掃描）對(duì)比，激光高斯束能量密度分布不均勻，單道掃描熔寬較小，只能增加輸入能量和減小掃描速度，但這樣很容易造成電阻率增高。光柵掃描能量分布均勻，掃描寬度較大，電阻率降低[11]。

Cu-Cr粉末混合激光增材制造，在100 μm微觀(guān)金相組織中，Cr以未熔化的粉末顆粒在銅合金基體中廣泛分布，在更高倍顯微鏡下發(fā)現(xiàn)微米級(jí)的固溶析出物，這是由較高的冷卻速度造成的。對(duì)比傳統(tǒng)的加工工藝，不產(chǎn)生析出物[12]。進(jìn)一步對(duì)Cu-Cr-Zr-Ti合金粉末進(jìn)行激光增材制造，表面存在尺寸為5～20 μm的孔洞，試樣致密度大約為97.9%，沿著增材制造方向，晶粒被拉長(zhǎng)，取決于SLM加工工藝的散熱方向，晶粒尺寸大約在30～250 μm，存在明顯的層界面。經(jīng)熱處理后，晶粒方向依然不變，并且長(zhǎng)大嚴(yán)重，達(dá)40～450 μm[13]。

電弧增材制造低碳鋼和硅青銅雙金屬結(jié)構(gòu)試樣顯然與激光選區(qū)熔化工藝制造有所區(qū)別，該試樣的長(zhǎng)度尺寸取決于焊絲移動(dòng)的距離，而寬度則依賴(lài)于焊接參數(shù)（焊接電流、焊接速度），焊接速度、焊接電流越大，試樣寬度隨著增大，每層高度則先增大后減??；EDS表明雙金屬結(jié)構(gòu)區(qū)有Fe, Cu和少量的Si存在；Fe-Cu二元相圖表明該區(qū)域不存在脆性金屬化合物，富Fe區(qū)形成α相，富Cu區(qū)形成ε相[21]。電弧作熱源具有增材制造效率高、熱輸入大且熱量呈高斯?fàn)罘植嫉奶攸c(diǎn)，但電弧不易控制，難精密成形，在大構(gòu)件增材制造方面具有前景。

銅合金增材制造會(huì)產(chǎn)生氣孔、裂紋、析出相及化學(xué)成分不均勻等不足，這些不足極大影響了試樣力學(xué)性能。與此同時(shí)，研究?jī)?yōu)化工藝或提高原始粉末質(zhì)量在別的材料增材制造技術(shù)研究中已經(jīng)成為熱點(diǎn)，而銅合金增材制造在這兩方面做的相對(duì)不足，并且，銅合金增材制造的表面粗糙度高，一次性增材制造成形達(dá)到產(chǎn)品要求，極為困難，目前美國(guó)Yang等[24]采用Cu2O粉末作為材料，通過(guò)燒結(jié)的方式增材制造出表面粗糙度低的試樣，效果較顯著，而美國(guó)NASA在增材制造表面粗糙度控制方面做的較好。

圖2 銅/不銹鋼微觀(guān)組織（銅合金）[17]Fig.2 Microstructure of copper/stainless steel (copper alloy)

2.2 增材制造銅合金力學(xué)性能

Cu-Cr-Zr-Ti合金粉末激光增材制造試樣經(jīng)熱處理后，沿垂直增材制造方向和平行增材制造方向截取拉伸試樣，得出的結(jié)果見(jiàn)表2[13]。

表2 熱處理后Cu-Cr-Zr-Ti SLM試樣力學(xué)性能[13]Tab.2 Mechanical properties of SLM Cu-Cr-Zr-Ti samples after heat retreat

錫青銅粉末激光選區(qū)熔化增材制造中，鑄造錫青銅和SLM得到的試樣進(jìn)行拉伸試驗(yàn)對(duì)比，鑄造錫青銅強(qiáng)度明顯低于SLM制造的錫青銅試樣，鑄造錫青銅的屈服強(qiáng)度為120 MPa，抗拉強(qiáng)度為180 MPa；SLM試樣的屈服強(qiáng)度為220 MPa，抗拉強(qiáng)度為420 MPa[9]。傳統(tǒng)鑄造工藝制備銅合金相比SLM性能較低。雙金屬結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)銅、鎳合金均勻過(guò)渡，過(guò)渡區(qū)域顯微硬度變化平穩(wěn)均勻；而直接熔覆銅合金試樣在0.06 mm處實(shí)現(xiàn)100%銅合金側(cè)到100%鎳合金側(cè)變化，硬度存在跳躍式變化：(1.38±0.04)GPa到(2.93±0.06)GPa。鎳合金側(cè)出現(xiàn)高硬度值(2.93±0.06)GPa，而鎳合金板材硬度為2.59 GPa，最高硬度出現(xiàn)在熱影響區(qū)[8]。

組織和性能都取決于合金粉末熔化凝固過(guò)程，因此，對(duì)增材制造工藝參數(shù)與制造工藝過(guò)程進(jìn)行有效控制，才能獲得良好的組織和性能。

3 結(jié)論與展望

國(guó)內(nèi)外研究銅合金增材制造處于萌芽階段，表現(xiàn)為增材制造銅合金原材料種類(lèi)少，增材制造工藝方法集中在激光/電子束增材制造技術(shù)，加工工藝優(yōu)化不足難以控制銅合金增材制造過(guò)程中的致密度和孔隙率，這些成為了制約銅合金增材制造發(fā)展的關(guān)鍵因素。

1)銅合金增材制造使用到的銅合金材料種類(lèi)很少，僅包含純銅、硅青銅、錫青銅、Cu-Cr系、鎳黃銅等，涉及到銅合金種類(lèi)有限。

2)銅合金增材制造工藝優(yōu)化研究不夠深入，試驗(yàn)中存在制造的試樣致密度較低，僅有部分致密度較高，并很難實(shí)現(xiàn)致密度百分之百的問(wèn)題，制備的試樣存在一定孔隙率，并且不同熱源獲得的晶粒組織差異較大，對(duì)力學(xué)性能的影響比較顯著，對(duì)于銅合金增材制造過(guò)程中，避免引入和降低雜質(zhì)以及后續(xù)的組織細(xì)化、成分均勻化的熱處理工藝優(yōu)化等問(wèn)題有待進(jìn)一步研究。

3)銅合金增材制造技術(shù)中使用到的控制手段有待提高，目前并沒(méi)有數(shù)值模擬在銅合金增材制造技術(shù)方面的研究，更沒(méi)有對(duì)熔池溫度變化與增材質(zhì)量關(guān)系的相關(guān)研究，對(duì)如何控制熔池冷卻速度與各層之間溫度梯度的研究也極少，熔池溫度和熔池冷卻速度是影響增材制造氣孔、裂紋、晶粒尺寸、微觀(guān)組織、固溶析出等一系列問(wèn)題的核心，因此，研究溫度場(chǎng)變化和實(shí)現(xiàn)溫度場(chǎng)控制，是對(duì)銅合金增材制造技術(shù)工藝的一大提升，不僅能夠解決裂紋、孔隙率的問(wèn)題，還能很好地控制晶粒尺寸，獲得較好的微觀(guān)組織，良好的力學(xué)性能，以及關(guān)于銅合金的其他特異性能，對(duì)提高產(chǎn)品性能和質(zhì)量至關(guān)重要。

4)銅合金增材制造成形件的后續(xù)加工制造也是銅合金增材制造技術(shù)研究的范疇。表面粗糙和臺(tái)階效應(yīng)是銅合金增材制造在表面成形方面具有的顯著特點(diǎn)。其中表面粗糙不利于抗腐蝕，解決這一問(wèn)題有兩個(gè)方法：一是尋找能解決表面粗糙問(wèn)題的其他工藝方法，進(jìn)而有效控制表面粗糙度；二是采取后續(xù)精加工，但這會(huì)增加加工周期，并且對(duì)于形狀復(fù)雜、精密度要求較高的零件要求極高。

5)銅合金熔化增材制造的工藝方法存在不足，需要尋找合適的固相增材制造技術(shù)予以輔助，目前可用于固相增材的方法有攪拌摩擦、超聲波等，并且這方面涉足的研究極少，具有一定潛力。

隨著研究的進(jìn)一步深入，以及設(shè)備技術(shù)、控制技術(shù)的不斷發(fā)展，需要開(kāi)拓不同工藝方法的銅合金增材制造，優(yōu)化工藝方法，進(jìn)而保障產(chǎn)品質(zhì)量和精度，彌補(bǔ)傳統(tǒng)制造低靈活性、難小批量生產(chǎn)、加工周期長(zhǎng)、高能耗、高污染等不足，銅合金增材制造技術(shù)在直接制造成形領(lǐng)域的應(yīng)用必定有所突破。