综述：铜及铜合金激光粉末床熔融技术的进展：微观结构、力学性能与导电性

《cMat》：Advances in Laser Powder Bed Fusion of Copper and Copper Alloys: Microstructure, Mechanical Behavior, and Conductivity

本文综述了微量铜添加对激光粉末床熔融（L-PBF）铜基合金微观结构和性能的影响，包括力学、耐腐蚀及抗菌性能提升，并讨论加工挑战与未来方向。

　　激光粉末床熔融（L-PBF）作为一种互补性的增材制造（AM）技术，已展现出在生产高分辨率、几何复杂金属组件方面的巨大潜力。近年来，研究人员发现，添加少量铜（Cu）可以显著改善多种金属合金的微观结构和综合性能，如机械强度、耐腐蚀性以及抗菌性能。然而，铜及其合金在L-PBF加工中仍然面临诸多挑战，主要源于其高反射率和热导率，这限制了激光与粉末之间的能量传递效率，导致熔池稳定性差和难以实现完全致密化。随着激光源技术、粉末表面改性、合金设计、原位合金化、工艺优化以及后热处理等领域的不断进步，铜基材料的打印性和功能性得到了显著提升。本文系统总结了L-PBF技术在铜及其合金/复合材料中的应用进展，重点关注了粉末特性、激光吸收率、熔池稳定性、缺陷形成以及微观结构演变等关键因素，并对高温下的机械和热稳定性以及电、热、机械性能的各向异性进行了深入评估，同时展望了未来的研究方向和工业前景。

铜因其卓越的电导率和热导率而被广泛应用于电力电子、电气连接、航空航天组件和热管理系统等领域。然而，纯铜在机械强度和耐磨性方面相对较低，限制了其在结构应用中的广泛使用。通过合金化，铜的机械性能可以得到显著增强，但往往伴随着延展性和导电性的下降。因此，开发同时具备高强、高导电性以及足够延展性的铜基合金，尤其是满足国际公认的高抗拉强度和高导电率目标的合金，成为材料设计中的核心课题。

金属增材制造技术在工业领域得到了广泛应用，因其能够在缩短生产周期、整合组件和提供前所未有的设计灵活性方面表现出色。L-PBF技术通过逐层熔化和凝固金属粉末，使得复杂结构的制造成为可能。然而，对于铜基材料而言，其高反射率和热导率导致了加工过程中能量吸收效率低、熔池不稳定以及难以实现致密化等问题。这些固有特性限制了L-PBF技术在铜基材料中的应用。为了克服这些挑战，研究者们提出了多种改进策略，包括使用短波长激光（如绿色激光）、优化加工参数以稳定熔池动态、对铜粉进行化学或物理表面改性（如控制氧化或表面蚀刻），以及引入高吸收率元素或表面涂层以提升激光与粉末的相互作用效率。

铜合金的制造过程中，熔池的稳定性直接影响最终产品的致密性和性能。研究发现，铜粉在近红外波段（如1070纳米）的反射率极高，这导致其在L-PBF过程中的能量吸收效率较低。相比之下，短波长激光（如绿色或蓝色激光）对铜粉的吸收率更高，从而提升了加工效果。同时，铜粉的表面改性，如引入氧化层或纳米颗粒，可以显著提高其在L-PBF中的吸收率，改善熔池行为，从而提升材料性能。

在L-PBF过程中，铜基合金常出现多种缺陷，如气孔、缺乏融合（LOF）孔、键孔孔等，这些缺陷会显著影响材料的动态疲劳性能。通过优化激光参数和粉末特性，研究者们成功实现了更高密度和更均匀的微观结构。例如，实验表明，适当增加激光能量密度可以显著减少气孔缺陷，提高材料的致密性。同时，粉末表面的氧化处理不仅提高了激光吸收率，还改善了熔池的稳定性，从而降低了加工过程中出现缺陷的可能性。

在铜合金的微观结构演变方面，铜的添加能够促进晶粒细化，形成超细共晶片层，从而显著增强合金的机械性能。同时，铜元素在合金中还可以作为有效的抗菌元素，特别适用于需要感染控制和生物相容性的应用。然而，铜基合金的机械性能往往与导电性和延展性之间存在权衡，因此，如何在保持优异导电性的同时提升机械强度，成为研究的重点。

在机械性能方面，铜基合金表现出显著的各向异性。例如，L-PBF加工的铜-铬-锆（CuCrZr）合金在垂直于加工方向的测试中表现出更高的机械性能，而水平方向则表现出较低的强度和较高的延展性。这表明，加工方向对材料性能有重要影响，因此在设计和加工过程中需要考虑这一点。

在电导率和热导率方面，L-PBF加工的铜基合金通常表现出比传统制造方法更高的性能。通过优化加工参数和引入高吸收率元素，如氧化物或纳米颗粒，可以进一步提升电导率和热导率。例如，研究发现，通过表面改性，铜粉的吸收率显著提高，从而提升了材料的导电性和热传导能力。此外，某些铜基复合材料，如铜-氧化锆（Cu-ZrO2）和铜-石墨烯纳米片（Cu-GNS），表现出优异的机械和导电性能，尤其是在高温环境下。

L-PBF技术在铜基材料的应用中展现出了广阔的发展前景。尽管目前铜基增材制造市场仍处于初级阶段，但随着技术的不断进步和工艺的优化，其市场价值有望迅速增长。研究者们正在探索新的合金设计和制造策略，以实现铜基材料的高性能、高致密度和低缺陷率。此外，结合人工智能和计算模拟，可以进一步优化加工参数，提高材料性能，并实现更高效的制造过程。

总体而言，L-PBF技术在铜基材料加工中展现出巨大的潜力，但仍需在多个方面进行深入研究和改进。未来的研究应重点关注如何优化加工参数以提升材料性能，如何通过表面改性和合金设计来改善激光吸收率，以及如何利用先进的计算模型和实时监测技术来控制缺陷形成和提升产品质量。随着这些技术的不断进步，L-PBF有望成为铜基材料加工的主流技术，推动其在高性能结构和功能材料领域的广泛应用。