在航空航天等高端制造领域，铜合金因兼具优异机械性能与导电导热性，一直是核心材料之一。但长期以来，铜合金制造面临两大瓶颈：传统减材技术难以加工复杂结构，而激光增材制造又受限于其高激光反射率，导致成型件缺陷多、强度与导电性相互制约。如今，这一行业难题被我国科研团队成功破解！
北京工业大学曾勇团队、陈继民团队与饶威团队联手攻关，通过石墨烯纳米片（GNSs）协同调控激光粉末床熔融（LPBF）工艺，在铜铬锆（CuCrZr）合金制造中实现重大突破。相关成果以”High strength, high ductility and high conductivity achieved in graphene nanosheets (GNSs)/copper alloy via laser powder bed fusion”为题，发表于国际顶级期刊《Carbon》，为高性能铜合金部件制造开辟了新路径。
技术瓶颈：铜合金增材制造的”两难困境”
CuCrZr合金作为航空航天领域的关键材料，其传统生产模式存在明显短板：减材制造周期长、复杂结构加工难度大，无法满足高端装备的精密制造需求。而激光粉末床熔融（LPBF）技术虽能实现快速精密成型，但铜合金的固有特性带来了新挑战——30.5%的低激光吸收率导致能量利用率低，高导热性又使得熔池稳定性差，最终造成成型件孔隙缺陷多，强度与导电性呈现”此消彼长”的倒置关系，难以兼顾。
如何在提升铜合金强度和延展性的同时，保持甚至提升其导电导热性能，成为材料科学领域长期未解决的难题。
创新方案：石墨烯赋能的工艺协同调控
针对这一困境，科研团队提出多尺度协同调控策略，核心在于将石墨烯纳米片（GNSs）与LPBF工艺完美结合。
实验采用EOS M280金属3D打印机，配备1064 nm红外光纤激光器，通过优化工艺参数（激光功率370 W、扫描速度400 mm/s、扫描间距0.08 mm、层厚0.03 mm），并采用棋盘式扫描策略（每层旋转67°），制备出立方体块、圆柱体及拉伸试样。研究发现，当GNSs添加量为0.075 wt%时，材料性能达到最优，该合金被命名为GNSs/CuCrZr合金。
这一创新设计并非简单的材料混合，而是通过GNSs对LPBF工艺的熔池行为与微观组织进行精准调控，从根源上解决了铜合金增材制造的核心痛点。
三大核心突破，重塑铜合金性能极限
1. 激光吸收率翻倍，成型致密度达99.6%
添加0.075 wt%的GNSs后，CuCrZr粉末在1064 nm激光波长下的吸收率从30.5%飙升至75%，提升幅度高达147%。这一显著提升优化了熔池动力学，有效消除了未熔合缺陷，使成型件相对密度达到99.60%，为材料性能提升奠定了坚实基础。
2. 力学与导电性能全面跃升
力学性能测试显示，GNSs/CuCrZr合金的抗拉强度达到286 MPa，屈服强度220 MPa，延伸率30.3%，较未添加GNSs的合金分别提升超40%，实现了强度与延展性的同步增强。
在导电导热性能方面，该合金电导率达32.5% IACS，热导率220 W/(m·K)，较基准组显著提高。更令人振奋的是，经过不同热处理后，材料性能可实现定制化优化：直接时效硬化（DAH）处理后，强度高达550 MPa；固溶+时效（SA+AH）处理后，电导率更是达到90% IACS，超越了文献报道的同类材料性能极限。
3. 微观机制革新，破解性能制衡难题
性能的突破源于微观结构的优化。研究发现，GNSs的加入促进了细长柱状晶的形成，减少了晶界对电子的散射，同时高致密度与清洁的石墨烯/铜界面协同降低了电子传输阻力，从而提升导电性。
在强韧化方面，一方面通过析出相调控，Zr元素抑制Cr粗化，形成纳米级弥散析出相，引发高密度位错缠结，强化合金；另一方面，GNSs使晶粒取向随机化（织构强度从6933降至2949），促进滑移系均匀应变，延缓局部失效，实现了强度与韧性的平衡。
应用前景：赋能航空航天高端制造
该研究首次通过GNSs协同调控LPBF工艺，成功突破了铜合金”强度-导电性”的倒置关系，为复杂铜合金部件的高性能增材制造提供了新范式。
经过不同热处理后的材料，可分别满足航空航天领域对导电件（90% IACS）和结构件（550 MPa）的差异化需求，在高端电子器件、航空发动机关键部件等领域具有广阔的应用前景。这一技术创新不仅推动了铜合金增材制造技术的进步，也为其他高性能金属材料的研发提供了重要借鉴。
随着增材制造技术的不断发展，石墨烯等纳米材料的赋能作用将愈发凸显。相信这一研究成果将加速高端制造领域的材料升级，为我国航空航天等战略性新兴产业的发展注入新动力！
文献信息：
Lizheng Zhang, Haopeng Sheng, Peng Dong, Yong Zeng, Wei Rao, Jimin Chen, High strength, high ductility and high conductivity achieved in graphene nanosheets (GNSs)/copper alloy via laser powder bed fusion, Carbon, Volume 240, 2025, 120365, ISSN 0008-6223
https://doi.org/10.1016/j.carbon.2025.120365
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