上海理工大學：增材制造銅合金 CuCrZr 和 CuCrNb 的現狀綜述
當前各種增材制造高熱通量銅合金 CuCrZr 和 CuCrNb 合金是通過不同的工藝制造的，包括 L-PBF選區激光熔融3D打印、EB-PBF電子束熔融金屬3D打印、LP-DED激光粉末定向能量沉積3D打印、AW-DED基于絲材的電弧能量沉積和 HLADED混合激光電弧增材制造工藝。
上海理工大學發表的論文《The current state of CuCrZr and CuCrNb alloys manufactured by additive manufacturing: A review》重點介紹了構建參數的優化，提高銅合金吸收率的途徑。總結了增材制造 CuCrZr 和 CuCrNb 合金的微觀結構、晶體織構和析出物。介紹了各種增材制造 CuCrZr 和 CuCrNb 合金的機械和熱性能，包括各向異性性能、熱處理對性能的影響以及高溫性能。該研究受到了中國國家重點研發計劃（批準號 17YFB0306405）、國家自然科學基金（批準號 51201107）和上海市腫瘤能量治療技術與器械協同創新中心的資金支持。
相關研究發表在Materials&Design上
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0264127522010425
由于優異的機械和熱性能，純銅及其合金廣泛用于核工業和航空航天工業。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熱性，通過傳統的 L-PBF 選區激光熔融3D打印工藝構建銅合金仍然具有挑戰性。《The 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。
3D科學谷白皮書
論文討論了微觀結構，包括織構和沉淀物。討論了室溫和高溫下的機械、電氣和熱性能、各向異性性能和后熱處理。此外，還強調了增材制造 CuCrZr 和 CuCrNb 銅合金的前景。
3D科學谷白皮書
亮點
由于優異的機械性能、熱性能和腐蝕性能，銅基合金在工業中得到廣泛應用。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率高，通過增材制造制造銅合金仍然具有挑戰性。激光輻射的高反射率會降低可用于熔化粉末的激光能量，并對設備有害。銅合金的高導熱性會導致高熱梯度和快速散熱，這會導致加工時沉積層的分層和卷曲。
CuCrZr和CuCrNb合金均為沉淀硬化合金，廣泛用作發動機燃燒室、熱核實驗堆（ITER）壁、液體火箭發動機部件等。CuCrNb合金通常是指美國宇航局NASA格倫研究中心開發的格倫研究銅（GRCop）合金。
l 增材制造工藝
到目前為止，大多數增材制造的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科學谷補充的資料是HLADED 工藝是一種新型增材制造工藝，3D科學谷《當激光項圈馴服電弧，弗勞恩霍夫激光技術研究所開發出電弧和激光組合3D打印技術: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，不過當前通過HLADED 工藝制造的 CuCrZr 或 CuCrNb 合金的研究報道有限。
l 提高吸收率
低入射功率輸入不能使粉末完全熔化，導致樣品未熔化 另一方面，高入射功率會導致樣品中出現鎖孔效應。為了解決這些問題，已經進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激光。純銅對藍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，用藍色激光構建的樣品表面比紅外激光更光滑。與使用紅外激光構建的樣品相比，由于填充率增加，使用藍色激光構建的零件表面更光滑。
l 優化構建參數
對于像銅這樣的高反射和高導電金屬，構建參數對熔池形狀有顯著影響，從而對凝固產生影響。通常，激光功率對零件致密化行為的影響最大，粉末對激光輻射的吸收率受工藝參數的影響很大。能量輸入對熔池的影響有很大影響，從而影響加工時對激光的吸收率。要構建完全致密的 CuCrZr 或 CuCrNb 組件，在 L-PBF 或 LP-DED 過程中需要優化不同的構建參數設置。主要參數包括激光功率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不同的構建參數進行控制。
l 粉末表面改性
另一種提高激光照射吸收率的方法是對粉末表面進行改性。
譬如，一種改性方案將原始 CuCr 粉末與納米級碳粉（0.1wt%，D50：25nm）機械混合 12 小時。碳混合 CuCr 粉末的 NIR 激光吸收率 (58%) 遠高于原始粉末 (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。
結論
《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 合金的發展趨勢 <Materials&Design>
由于CuCrZr合金對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。可以進一步研究構建參數的優化，以提高吸收率并構建無缺陷的組件。通過對銅粉進行表面改性，或采用二氧化藍激光、綠光激光等短波長激光，可以提高激光的吸收率，從而提高CuCrZr和CuCrNb合金的性能。然而，只有少數文獻報道了提高吸收率。大多數 AM-ed CuCrZr 和 CuCrNb 合金都是使用 NIR 激光通過 L-PBF 工藝制造的。
機械性能方面，增材制造的 CuCrZr 和 CuCrNb 合金表現出很高的機械性能，一些合金與傳統的 CuCrZr 和 CuCrNb 合金相當，甚至優于傳統的 CuCrZr 和 CuCrNb 合金。高機械性能主要源于增材制造過程中的高密度位錯。此外，合金原子沉淀或溶解在合金中。經過后熱處理，尤其是直接時效處理后，溶解的 Cr/Zr 原子沉淀在基體中，這種沉淀物可以強化合金。此外，在合金中觀察到拉伸各向異性。大多數增材制造的CuCrZr和CuCrNb合金具有柱狀晶組織，織構強度較弱。通常，水平面的抗拉強度優于垂直面的抗拉強度。因此，需要進一步研究開發各向同性晶粒CuCrZr和CuCrNb合金。此外，與其他合金類似，增材制造的CuCrZr 和 CuCrNb 合金的抗拉強度隨溫度升高而降低。
導電性和導熱性方面，由于在增材制造過程中形成了高熱殘余應力和位錯，大多數成品增材制造 CuCrZr 合金的導電性和導熱性較差。可以應用后熱處理來減輕殘余應力并減少位錯，從而提高導電性和導熱性。
通過進一步優化構建參數和后熱處理，增材制造的CuCrZr 和 CuCrNb 合金可以在機械性能和熱性能之間達到良好的平衡。并且需要實現合金的高強度和高延展性之間的權衡。
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