上海理工大學(xué)：增材制造銅合金 CuCrZr 和 CuCrNb 的現(xiàn)狀綜述
由于優(yōu)異的機(jī)械和熱性能，純銅及其合金廣泛用于核工業(yè)和航空航天工業(yè)。CuCrZr 和 CuCrNb 是沉淀硬化合金。由于近紅外激光的高反射率和高導(dǎo)熱性，通過傳統(tǒng)的 L-PBF 選區(qū)激光熔融3D打印工藝構(gòu)建銅合金仍然具有挑戰(zhàn)性?！禩he current state of CuCrZr and CuCrNb alloys manufactured by additive manufacturing: A review》討論了三種提高合金吸收率的方法。
論文討論了微觀結(jié)構(gòu)，包括織構(gòu)和沉淀物。討論了室溫和高溫下的機(jī)械、電氣和熱性能、各向異性性能和后熱處理。此外，還強(qiáng)調(diào)了增材制造 CuCrZr 和 CuCrNb 銅合金的前景。
亮點(diǎn)
由于優(yōu)異的機(jī)械性能、熱性能和腐蝕性能，銅基合金在工業(yè)中得到廣泛應(yīng)用。到目前為止，增材制造純銅和銅合金得到了有趣的研究，包括銅鋁 (Cu-Al)、銅鎳 (Cu-Ni)、銅鉻鋯 (Cu-Cr-Zr) )和銅鉻鈮(Cu-Cr-Nb)等。
然而，由于激光輻射的吸收率差和熱導(dǎo)率高，通過增材制造制造銅合金仍然具有挑戰(zhàn)性。激光輻射的高反射率會(huì)降低可用于熔化粉末的激光能量，并對(duì)設(shè)備有害。銅合金的高導(dǎo)熱性會(huì)導(dǎo)致高熱梯度和快速散熱，這會(huì)導(dǎo)致加工時(shí)沉積層的分層和卷曲。
CuCrZr和CuCrNb合金均為沉淀硬化合金，廣泛用作發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室、熱核實(shí)驗(yàn)堆（ITER）壁、液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)部件等。CuCrNb合金通常是指美國(guó)宇航局NASA格倫研究中心開發(fā)的格倫研究銅（GRCop）合金。?
l?增材制造工藝
到目前為止，大多數(shù)增材制造的CuCrZr 和 CuCrNb 銅合金都是通過 PBF 粉床熔融增材制造和 DED定向能量沉積工藝制造的。
在這里，3D科學(xué)谷補(bǔ)充的資料是HLADED 工藝是一種新型增材制造工藝，3D科學(xué)谷《當(dāng)激光項(xiàng)圈馴服電弧，弗勞恩霍夫激光技術(shù)研究所開發(fā)出電弧和激光組合3D打印技術(shù):COLLAR Hybrid》一文中介紹在 DED 定向能量工藝中將電弧和脈沖激光作為熱源（混合激光電弧，HLA）， 該工藝已用于鐵合金、鎂合金、銅合金等，不過當(dāng)前通過HLADED 工藝制造的 CuCrZr 或 CuCrNb 合金的研究報(bào)道有限。
l?提高吸收率
低入射功率輸入不能使粉末完全熔化，導(dǎo)致樣品未熔化 另一方面，高入射功率會(huì)導(dǎo)致樣品中出現(xiàn)鎖孔效應(yīng)。為了解決這些問題，已經(jīng)進(jìn)行了許多研究以提高銅合金吸收的有效激光能量。
提高激光吸收率的一種方法是采用短波長(zhǎng)激光。純銅對(duì)藍(lán)色激光的吸收率是紅外激光的六倍。由于增加了激光吸收率，用藍(lán)色激光構(gòu)建的樣品表面比紅外激光更光滑。與使用紅外激光構(gòu)建的樣品相比，由于填充率增加，使用藍(lán)色激光構(gòu)建的零件表面更光滑。
l?優(yōu)化構(gòu)建參數(shù)
對(duì)于像銅這樣的高反射和高導(dǎo)電金屬，構(gòu)建參數(shù)對(duì)熔池形狀有顯著影響，從而對(duì)凝固產(chǎn)生影響。通常，激光功率對(duì)零件致密化行為的影響最大，粉末對(duì)激光輻射的吸收率受工藝參數(shù)的影響很大。能量輸入對(duì)熔池的影響有很大影響，從而影響加工時(shí)對(duì)激光的吸收率。要構(gòu)建完全致密的 CuCrZr 或 CuCrNb 組件，在 L-PBF 或 LP-DED 過程中需要優(yōu)化不同的構(gòu)建參數(shù)設(shè)置。主要參數(shù)包括激光功率P、v、h、l、激光光斑直徑、條紋間距等。冷卻速度和熔池大小可根據(jù)不同的構(gòu)建參數(shù)進(jìn)行控制。
l?粉末表面改性
另一種提高激光照射吸收率的方法是對(duì)粉末表面進(jìn)行改性。
譬如，一種改性方案將原始 CuCr 粉末與納米級(jí)碳粉（0.1wt%，D50：25nm）機(jī)械混合 12 小時(shí)。碳混合 CuCr 粉末的 NIR 激光吸收率 (58%) 遠(yuǎn)高于原始粉末 (34%)。另一種表面改性方法是在氬氣氣氛中將碳混合 CuCr 粉末在 750°C 下加熱 2.5 小時(shí)。?
結(jié)論
《The current state of CuCrZr and CuCrNb alloys manufactured by additive manufacturing: A review》這篇論文全面回顧了目前通過各種增材制造工藝（包括 L-PBF、EB-PBF、LP-DED、AW-DED 和 HLADED 工藝）制備高熱通量 CuCrZr 和 CuCrNb 合金的研究工作。?
▲增材制造 CuCrZr 和 CuCrNb 合金的發(fā)展趨勢(shì)
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由于CuCrZr合金對(duì)近紅外激光的吸收率較差，綜述著重介紹了提高CuCrZr合金吸收率的三種主要方法?？梢赃M(jìn)一步研究構(gòu)建參數(shù)的優(yōu)化，以提高吸收率并構(gòu)建無缺陷的組件。通過對(duì)銅粉進(jìn)行表面改性，或采用二氧化藍(lán)激光、綠光激光等短波長(zhǎng)激光，可以提高激光的吸收率，從而提高CuCrZr和CuCrNb合金的性能。然而，只有少數(shù)文獻(xiàn)報(bào)道了提高吸收率。大多數(shù) AM-ed CuCrZr 和 CuCrNb 合金都是使用 NIR 激光通過 L-PBF 工藝制造的。
機(jī)械性能方面，增材制造的 CuCrZr 和 CuCrNb 合金表現(xiàn)出很高的機(jī)械性能，一些合金與傳統(tǒng)的 CuCrZr 和 CuCrNb 合金相當(dāng)，甚至優(yōu)于傳統(tǒng)的 CuCrZr 和 CuCrNb 合金。高機(jī)械性能主要源于增材制造過程中的高密度位錯(cuò)。此外，合金原子沉淀或溶解在合金中。經(jīng)過后熱處理，尤其是直接時(shí)效處理后，溶解的 Cr/Zr 原子沉淀在基體中，這種沉淀物可以強(qiáng)化合金。此外，在合金中觀察到拉伸各向異性。大多數(shù)增材制造的CuCrZr和CuCrNb合金具有柱狀晶組織，織構(gòu)強(qiáng)度較弱。通常，水平面的抗拉強(qiáng)度優(yōu)于垂直面的抗拉強(qiáng)度。因此，需要進(jìn)一步研究開發(fā)各向同性晶粒CuCrZr和CuCrNb合金。此外，與其他合金類似，增材制造的CuCrZr 和 CuCrNb 合金的抗拉強(qiáng)度隨溫度升高而降低。
導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性方面，由于在增材制造過程中形成了高熱殘余應(yīng)力和位錯(cuò)，大多數(shù)成品增材制造 CuCrZr 合金的導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性較差?？梢詰?yīng)用后熱處理來減輕殘余應(yīng)力并減少位錯(cuò)，從而提高導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性。
通過進(jìn)一步優(yōu)化構(gòu)建參數(shù)和后熱處理，增材制造的CuCrZr 和 CuCrNb 合金可以在機(jī)械性能和熱性能之間達(dá)到良好的平衡。并且需要實(shí)現(xiàn)合金的高強(qiáng)度和高延展性之間的權(quán)衡。?
來源：3D科學(xué)谷
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