根据增材制造成型后是否需要进行排胶、烧结致密化处理，将上述方法归结为直接增材制造技术和间接增材制造技术。直接增材制造技术是通过热源直接加热单层铜粉/铜丝并使之熔化，随后快速冷却凝固，逐层叠加制成铜部件，各直接增材制造技术原理图如图一所示。间接增材制造技术是将铜粉与有机物按一定方式混合，通过特定的方式固化成型，再经过排胶、烧结致密化处理后，最终得到铜部件。例如，粘结剂喷射技术和数字光处理技术（Digital light processing, DLP）等，技术原理图如图2所示。
图1铜及铜合金直接增材制造技术原理图：(a) L-PBF技术；(b) EB-PBF技术；(c) LP-DED技术；(d) AW-DED技术；(e) HLADED技术
图2铜及铜合金间接增材制造技术原理图：(a) BJ技术；(b) DLP技术
2.增材制造铜及铜合金的类型
(1)纯铜
纯铜的增材制造技术主要为L-PBF、EB-PBF和BJ技术，如表1所列。
相较于铜合金，纯铜对激光表现出更高的反射率，限制了L-PBF技术成型纯铜部件。为了解决纯铜对激光的高反射率所带来的能量输入不足、残余应力高等问题，研究者们从工艺参数优化和降低纯铜激光反射率等方面进行了深入研究。例如，WAGENBLAST 等采用绿色短波激光器有效降低了纯铜粉对红外光的高反射率影响，成功制备了密度为99.8%、电导率为 100%IACS 的纯铜部件。CONSTANTIN等通过优化工艺参数还可实现纯铜制造过程缺陷的有效控制，研究表明，当扫描速度为200mm/s时，熔池间温度梯度大，导致熔池中心的熔融金属往两边边缘扩散形成凸起，产生缺陷；而当扫描速度为600mm/s时，扫描速度过快导致颗粒熔化所需的能量不足，出现球化现象，如图3所示。
图3 L-PBF在扫描速度分别为200，400，600mm/s成型纯铜时的 SEM图、抛光表面图和熔池示意图
(2)CuCrZr
同样地，CuCrZr合金因其较高的激光反射率而不利于L-PBF成型。为了解决该问题，研究者们进行了大量研究与探索。WAGENBLAST等调整激光为绿色短波激光（波长= 515 nm），解决了铜粉高反射率对激光熔融技术的限制，采用L-PBF技术在更快时间内制造出近全致密的块状CuCrZr合金。LASSÈGUE等采用物理气相沉积（PVD）法在铜粉上沉积Cr和Zr，形成了均匀的CrZr涂层，提高了铜粉的激光吸收率，制备了相对密度为94.3 %的CuCrZr合金。REN等采用直接量热测量法研究了不同激光线性能量密度（线性能量密度=功率/扫描速度）下，CuCrZr粉末对近红外激光的吸收率，如图4所示。结果表明，线性能量密度越大，CuCrZr粉末的激光吸收率越高，越利于该合金成型。
图4 不同线性能量密度下CuCrZr粉末对激光的吸收率
(3)CuCrNb
铜铬铌合金是另一种高强度高导电铜合金，具有优异的塑性变形能力、加工性能、高温力学性能与抗蠕变性能，采用增材制造技术可灵活地制造结构复杂且微观组织和性能可控的铜铬铌合金，进一步拓宽其应用场景。KINI 等采用LP-DED技术制备了CuCrNb合金，在成型过程中调节冷却速率，实现了铬的纳米级析出物和Laves相((Cr,Fe)2Nb颗粒）的原位合成。当控制冷却速率为103～104K/s 时，在较慢冷速和对已固化层反复热循环的作用下，实现了析出物的原位生成，进而提升合金的硬度和导电性。Seltzman 等采用L-PBF技术制造了几乎全致密的沉淀强化CuCrNb合金，并对其抗拉强度进行了分析。研究表明，较快的冷速和温度梯度造成柱状晶的生成，引起各向异性，导致CuCrNb合金垂直平面的抗拉强度略低于水平面。并且合金垂直方向断裂面上观察到起强化作用的Cr2Nb等析出物如图5所示。
图5 LP-DED成型CuCrNb合金的微观断口图
3.增材制造铜及铜合金的应用
随着航空航天，电子工业等领域朝着微小化和高集成化发展，零部件局部产生的大量热量需要通过导热性优异的材料和具有大比表面积的结构进行有效散热。增材制造铜及铜合金可以制造高比表面积结构，实现高效散热。3T RPD公司率先采用L-PBF技术一体化成型制造纯铜构件，通过最大化比表面积极大地提高了传热效率，如图6(a)所示。RAMIREZ等采用EB-PBF方法制备了如图6(b)所示的铜网状泡沫，其硬度值比商业铜产品高出大约75%。这些开放式蜂窝结构组件在复杂的热管理系统中有很大的应用潜力。CONSTANTIN等采用L-PBF技术成型了复杂的大比表面积（600 mm2/g）的泡沫铜散热器，将其散热性能与电子芯片上的小比表面积（286 mm2/g）商用散热器进行比较，散热效率约高出45%。图6(c)所示为采用L-PBF成型的冷却器单元，其中包含数百个厚度仅为0.3毫米的散热片，通过结构优化设计扩大流体流速，提升了冷却速率。使用铜材料制造该结构可以进一步提升冷却速率，有良好的应用前景。
图6 增材制造散热器件
研究结论
（1）铜粉对激光的高反射率是限制激光增材制造成型铜合金的关键原因之一。通过调控成型参数、采用短波长激光、铜粉表面改性和合金化等措施，可提高激光吸收率，在一定程度上使之改善。但是也引起一系列其他问题。因此，在降低铜粉激光反射率的同时，应综合考虑部件成型效果。
（2） 高品质铜粉是铜及铜合金部件增材制造的基础，大力研发增材制造专用铜及铜合金粉体，能从原料端控制、保证铜及铜合金性能。
（3） 通过同步辐射技术或数值模拟技术可实时监测或模拟增材制造时铜合金微观组织结构的形成过程，探究铜及铜合金增材制造的工艺−组织−性能的关系，实现对铜合金增材制造缺陷和组织的实时调控。
（4）借鉴传统铜及铜合金的粉末冶金基础理论和工艺方法，开拓适用于铜及铜合金的间接增材制造技术,进一步推动铜及铜合金增材制造技术的发展。如光固化技术，具有设备成本低、成型精度高、表面质量好等独特优势，适合纯铜的增材制造。
（5）根据应用场景对材料性能的需求，可从设计端拓展增材制造铜及铜合金的应用领域。未来，基于应用端需求的整体式设计和制造将推动工业整体设计和产品性能的大幅度提升，同时促进铜及铜合金增材制造技术的发展。
团队介绍
王日初，二级教授，博士生导师，材料学院金属材料研究所所长，兼湖南省铸造学会副秘书长。主要从事快速凝固喷射沉积、先进电子封装材料、水激活电池阳极材料、金属粉末及表面改性技术、铝镁复合材料等研究；近十年主持国家新材料攻关项目16项，其中自主研发的铝硅合金已应用于国产新型雷达系统、镁合金阳极材料已应用于大功率水下武器、自润滑复合材料已应用于多种舰船的压气机，保障了重点型号装备的材料需求，为我国国防事业做出了一定贡献；获中国有色金属工业科技进步一等奖1项，授权发明专利10余项，出版著作5本，发表学术论文100余篇。
王小锋，教授、博士生导师。主要从事金属基复合材料、硬质合金和陶瓷材料的研究，形成了以摩擦磨损和电子封装为应用背景，以粉末冶金为基础，并融合增材制造技术与传统工艺的研究特色。主持国家自然科学基金、国家级配套项目、福建省科技重大专项项目、湖南省自然科学基金、教育部博士点基金和企业横向项目等10余项，作为骨干成员参与国家级配套项目8项。在国内外学术刊物如Adv. Mater.，ACS Appl. Mater. Interfaces和J. Alloy. Compd.等上发表学术论文60余篇，出版专著1部，受邀担任J. Alloy. Compd.， J. Am. Ceram. Soc.，Powder Technol.等期刊审稿人，获得国家授权发明专利20余项，获省部级技术发明一等奖1项。
叶安梁，硕士研究生。研究方向为增材制造铜及铜合金，以第一作者发表高水平论文1篇，申请国家发明专利1项。
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