铜及铜合金具备高导电性、高导热性、高耐腐蚀性、高韧性等优异性能，广泛应用于：

电力工业（导电部件）、热管理系统（散热元件）；

核电站、航空航天（耐蚀 / 耐高温部件）；

汽车工业（同步器齿环）及日常生活（艺术品、器物）。

2. 传统制造的局限与 AM 技术的必要性

传统工艺（铸造、锻造）难以加工复杂几何结构、轻量化或多功能梯度零件，且生产周期长、设计自由度低；

增材制造（AM，3D 打印）通过 “逐层累积” 成形，可突破传统局限，实现复杂件快速制备，是解决铜基零件制造难题的关键途径。

铜及铜合金 3D 打印用原料粉末

工艺分为基于高能束的成形技术（SLM、EBM）和基于烧结的成形技术（BJ、PEP），核心特性对比及细节如下：

1. 工艺对比总览

2. 各工艺关键研究进展

（1）选择性激光熔化（SLM）—— 高精度但激光反射率难题

核心瓶颈：铜在 1000~1100nm 激光波长下反射率 > 60%，能量沉积不足，导致孔洞、低致密度（成形效率低）；快速冷热易产生残余应力。

解决方案：

高功率激光：Ikeshoji 等（2018）用 800W 激光，制备致密度 96.6% 的铜零件（扫描速度 300mm/s，层厚 0.05mm）；

短波长激光：500nm 绿色激光比 1070nm 红外激光吸收率提升 10 倍（但绿色激光器昂贵、致热效果弱）；

表面改性 / 合金化：Jadhav 等（2020）用 Cu₂O 氧化层改性纯铜粉，1080nm 波长吸收率从 32%→58%；CuCr 合金因晶格畸变，1064nm 反射率降低。

（2）电子束熔融（EBM）—— 高致密度但精度不足

核心优势：不受激光反射率影响，可实现致密度 > 99% 的铜零件；

核心问题：散热慢→冷却时间长，易产生元素偏析、裂纹、气孔；电子束聚斑差→零件精度 / 表面质量低；

关键发现：Guschlbauer 等（2020）发现 “少量氧化物（如 Cu₂O）可提升零件性能”，Ramirez 等（2011）制备出新型沉淀位错结构，零件硬度达 83~88HV（比铜基板高 54%）。

（3）粘结剂喷射（BJ）—— 低成本但致密化难题

核心优势：无需高能束设备，成本低；可加工高反射率 / 高导热铜合金，支持复杂结构无支撑打印；

核心问题：烧结后致密度低于 SLM/EBM，易收缩、粘结剂残留；

优化方案：

双峰混合粉末：Bai 等（2015）用 30μm+5μm 铜粉（73:27 质量比），生坯密度提升 9.4%，烧结密度提升 12.3%；

后处理强化：Kumar 等（2017）通过 “BJ + 烧结 + 热等静压”，致密度从 92%→99.7%，孔隙率从 2.90%→0.37%；Singh 等（2019）用超声辅助无压烧结（UAPS），零件拉伸强度 / 导热率提升 15%~45%。

（4）粉末挤出打印（PEP）—— 新兴工艺且粉末要求低

工艺特点：结合熔融沉积（FDM）与金属注射成形（MIM），以 “金属粉末 + 粘结剂喂料” 为原料；

核心要求：喂料需流动性好（铜粉需球形 / 近球形，粘结剂均匀且粘度适中）；

研究现状：目前报道较少，文献表 2 整理了不同喂料配方（如石蜡 + 聚乙烯体系）的打印质量，例如：2μm 铜粉（91.7% 装载量）致密度 8.1g/cm³，尺寸收缩 15%，硬度 77.98HV。

铜及铜合金 AM 技术的应用场景

基于优异性能与工艺突破，AM 铜零件已在多领域落地：

1. 散热与管道领域

Cu / 金刚石复合材料：BJ 工艺制备，兼具高力学性能与高热导（低热膨胀系数），是电子器件散热核心材料（Li 等，2021）；

开放网状铜结构：EBM 制备，密度 0.73~6.67g/cm³，硬度超商业铜零件 75%（Ramirez 等，2011）。

2. 电子与航空航天领域

高精度电感线圈：SLM/EBM 制备弯曲 / 螺旋形线圈，精度远超传统工艺（Martin 等，2017）；

泡沫铜：BJ 工艺制备多尺度孔隙结构，孔隙率达 59%（Miyanaji 等，2020），适配导电 / 散热需求；

火箭发动机部件：美国 NASA 用 SLM 打印 GRCop-42/84 合金，制备带冷却通道的燃烧室（Gradl 等，2019）。

3. 装饰与民生领域

复杂几何形状的艺术品、日常器物（利用 AM 设计自由度高的优势）。

未来发展展望

1. 材料层面

拓展 AM 用铜合金种类，降低 SLM/EBM 对粉末球形度 / 流动性的高要求（PEP 工艺潜力大）；

利用 PEP 多打印头优势，开发梯度功能材料（如不同成分 / 性能的多层复合零件）。

2. 成本与生产率层面

针对 BJ/PEP“工艺环节多、操作繁琐” 的问题，开发 “喂料制备 - 打印 - 脱脂 - 烧结” 一体化设备，简化流程、降低门槛；

进一步发挥 BJ/PEP 无昂贵光学仪器的优势，提升量产效率。

3. 缺陷控制层面

重点研究 AM 零件的各向异性（垂直 / 水平方向力学性能差异），填补当前研究空白，提升零件性能一致性；

优化后处理工艺（如热等静压、超声烧结），进一步降低孔隙率、消除残余应力。