非晶3D打印——3D打印體系中最為前沿和最有潛力的技術(shù)

金屬零件3D打印技術(shù)作為整個(gè)3D打印體系中最為前沿和最有潛力的技術(shù),，是先進(jìn)制造技術(shù)的重要發(fā)展方向,。雖然現(xiàn)在金屬3D打印很熱,，有很多企業(yè)和政府也紛紛上馬或推廣金屬3D打印項(xiàng)目,，但真正用金屬3D打印做出產(chǎn)品的較少,。這里面關(guān)鍵問題還是技術(shù)問題,，打印速度和精度,、打印精度和強(qiáng)度等相互矛盾的技術(shù)指標(biāo)困擾著制造商和最終用戶,，當(dāng)然還有操作專業(yè)性強(qiáng)、原材料昂貴等問題,，最終讓他們保持觀望態(tài)度,。在現(xiàn)階段技術(shù)條件下，發(fā)展金屬3D打印的智能化和增減復(fù)合技術(shù)是有效地解決目前存在弊端的關(guān)鍵,，是未來(lái)金屬3D打印的重要發(fā)展方向,。

為什么會(huì)盯著非晶3D打印,？
處于亞穩(wěn)態(tài)的非晶合金需要在較快的冷卻速率下才能獲得,，而目前通常采用的銅模鑄造法只能制備出臨界尺寸較小的非晶合金。另外,，由于塊體非晶合金存在嚴(yán)重的室溫脆性問題,，其在室溫下難以進(jìn)行機(jī)械加工。復(fù)雜形狀構(gòu)件的模具無(wú)法或很難加工制造,，導(dǎo)致難以獲得精密復(fù)雜的非晶合金構(gòu)件,，這成為制約非晶合金應(yīng)用的另一個(gè)瓶頸。因此,，如何突破非晶合金臨界的尺寸限制和復(fù)雜構(gòu)件的制備加工是擴(kuò)展其在相關(guān)領(lǐng)域應(yīng)用的關(guān)鍵,。

近年來(lái)，激光3D打印技術(shù)的迅猛發(fā)展為解決上述難題提供了契機(jī),。激光3D打印技術(shù)屬于快速成形技術(shù)的一種,，與傳統(tǒng)的切削等機(jī)械加工技術(shù)不同，激光3D打印技術(shù)是一種以數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)的“增材制造”技術(shù),，是一種具有“變革性”意義的數(shù)字化,、短周期、低成本的先進(jìn)制造技術(shù),。由于激光3D打印技術(shù)是一種逐點(diǎn)離散熔覆沉積的成型方法,，其每點(diǎn)的所受激光加熱面積較小，熔池的熱量可以迅速向基體擴(kuò)散,，使得激光熔池的冷卻速率遠(yuǎn)大于非晶合金的臨界冷卻速率，使得熔池在冷凝的過(guò)程中可以避免發(fā)生晶化,，進(jìn)而獲得非晶態(tài),，這為無(wú)尺寸限制地制備非晶合金提供可能。另外,，激光3D打印是以金屬粉末為原材料,，通過(guò)高能激光束對(duì)金屬粉末逐層熔化堆積，直接由數(shù)字模型一步完成全致密,、高性能,、復(fù)雜金屬零件的“近終成形”制造,，這為制備復(fù)雜的非晶合金構(gòu)提供理想的手段。

因此,，針對(duì)目前非晶合金所面臨的尺寸較小和難以制備加工復(fù)雜構(gòu)件的問題,，激光3D打印技術(shù)是最有可能解決上述問題，并實(shí)現(xiàn)非晶合金大規(guī)模應(yīng)用的技術(shù),。

國(guó)內(nèi)外進(jìn)展：
1）我國(guó)非晶3D打印研究有進(jìn)展
我國(guó)在非晶3D打印研究較早,，且取得一定成果。西北工業(yè)大學(xué)的楊高林等人采用預(yù)置粉末的方式激光3D打印Zr基非晶合金,，研究發(fā)現(xiàn),，制備的7層小尺寸Zr基非晶合金中非晶相的含量可以達(dá)到92% (體積比)。太原理工大學(xué)的干宇采用預(yù)置粉末的方式激光3D打印Zr基非晶合金,，在非晶合金的中上部,，化學(xué)成分相對(duì)分布均勻，接近設(shè)計(jì)的理想組分,。華中科技大學(xué)的柳林教授課題組采用激光選區(qū)激光3D打印技術(shù)成型Fe基非晶合金,，他們采用激光在線退火以及材料復(fù)合等手段抑制裂紋的產(chǎn)生。大連交通大學(xué)的呂云卓等人采用同軸送粉激光3D打印技術(shù)成型Zr基非晶合金,，他們采用打印非晶合金復(fù)合材料的方法抑制裂紋,。

2）美國(guó)非晶3D打印即將走向商業(yè)化
美國(guó)俄亥俄州立大學(xué)從2008年就開始研究非晶合金的激光3D打印技術(shù)，并已經(jīng)在Cu基和Zr基非晶合金的3D打印上取得進(jìn)展,。日前,，美國(guó)加州理工大學(xué)在非晶合金3D打印上取得較大進(jìn)步，并已獲批發(fā)明專利,，其制造非晶態(tài)金屬的方法為是將第一層金屬合金表面高溫熔融,，迅速冷卻這層熔融金屬合金，凝固形成非晶態(tài)金屬的第一層,；然后在此基礎(chǔ)上進(jìn)行下一層的加工,。在這個(gè)過(guò)程中使用的是“噴涂技術(shù)”應(yīng)用至每一層，包括等離子噴涂,、電弧噴涂等方法,。“噴涂技術(shù)”可以使用的原材料包括：金屬絲和金屬粉末,。隨著加州理工大學(xué)的此項(xiàng)專利獲批,，該技術(shù)正式進(jìn)入商業(yè)化階段。

3）日本非晶3D打印有銷售目標(biāo)
2004年,，日本田中控股株式會(huì)社,，開發(fā)了用于3D打印的鉑基非晶合金的粉末，并在激光3D打印成型鉑基非晶合金方面方面獲得成功,，屬全球首創(chuàng),。同時(shí),，田中貴金屬工業(yè)也開發(fā)出分別添加鉑、銥的鎳基合金鉑族金屬粉末材料,，并在造型產(chǎn)品的制作方面取得成功,。另外，田中貴金屬工業(yè)通過(guò)與日本大阪府立產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合研究所合作研究,，探明與粉末材質(zhì)及形狀相適應(yīng)的激光能量照射條件,，從而在分別添加鉑、鉑基非晶合金的造型產(chǎn)品制作方面取得了成功,。田中貴金屬工業(yè)將提供3D打印機(jī)用鉑族金屬粉末材料,，并制定了在2020年度達(dá)成每年4億日元的銷售目標(biāo)。

4）瑞典非晶3D打印擁有專門設(shè)備
瑞典科技創(chuàng)業(yè)公司Exmet是從2016年起與德國(guó)材料巨頭賀利氏合作研發(fā)非晶態(tài)金屬3D打印技術(shù),，與加州理工大學(xué)所使用的DED技術(shù)不同的是,，Exmet在工廠中配備了一臺(tái)EOS M 290 金屬3D打印機(jī)，用于制造高性能的非晶態(tài)金屬零部件,。


5）澳大利亞非晶3D打印受困于晶化
澳大利亞西澳大學(xué)利用選區(qū)熔化激光3D打印技術(shù)制備Al基非晶合金,，研究發(fā)現(xiàn)，盡管使用合適的工藝參數(shù)可以獲得具有較高致密度和較好力學(xué)性能的Al基非晶合金,，和中國(guó)部分科研工作一樣,，在具體工作中無(wú)法避免晶化的發(fā)生。

6）德國(guó)非晶3D打印出鐵基零部件
德國(guó)科學(xué)家利用激光選區(qū)熔化方法成功實(shí)現(xiàn)具有復(fù)雜形狀的Fe基非晶合金的激光3D打印,，但是所制備的非晶合金在成型零件的拐角處以及形狀較為復(fù)雜的部位仍然發(fā)現(xiàn)晶化,。

非晶3D打印技術(shù)優(yōu)缺點(diǎn)及國(guó)內(nèi)外研究著力點(diǎn)

非晶3D打印技術(shù)和非晶合金材料性質(zhì)有相似：優(yōu)點(diǎn)突出，缺點(diǎn)也十分明顯,。優(yōu)點(diǎn)：突破非晶合金尺寸限制,；實(shí)現(xiàn)復(fù)雜非晶合金構(gòu)件制備；制造復(fù)雜非晶合金制品不增加成本,；制備非晶合金周期短,，制造流程簡(jiǎn)單；減少?gòu)U棄副產(chǎn)品,。缺點(diǎn)：晶化相難以避免,；存在缺陷；成分不均勻,；后續(xù)仍需額外工藝,。

今年來(lái)，《非晶中國(guó)產(chǎn)業(yè)資訊》走訪或者以交流形式對(duì)接以色列,、日本等國(guó)，以及國(guó)內(nèi)的深圳,、上海,、北京,、西安等地，就非晶3D打印技術(shù)進(jìn)行專項(xiàng)調(diào)研,。和國(guó)外相比,，我國(guó)此項(xiàng)技術(shù)研發(fā)起步較早，有一定技術(shù)積累,。我們優(yōu)勢(shì)是,，從事團(tuán)隊(duì)較多，技術(shù)不斷有進(jìn)展,。不足的是,，我國(guó)很多技術(shù)還處于起步階段，部分研究或多或少有跟隨或者跟風(fēng)式模仿,。國(guó)外非晶3D打印研究,，更加注重有效性，注重產(chǎn)業(yè)化方向,。我們發(fā)現(xiàn),，除了有科研人員參與外，更多的3D打印企業(yè)工程技術(shù)人員加入,，是一個(gè)跨學(xué)科,、跨部門、跨人員工作性質(zhì)的團(tuán)隊(duì)在做這項(xiàng)工作,。

非晶3D打印未來(lái)趨勢(shì)
將3D打印技術(shù)應(yīng)用于塊體非晶合金的制備,，是突破非晶合金臨界的尺寸限制和實(shí)現(xiàn)復(fù)雜非晶合金構(gòu)件制備的可行方法，有可能是非晶產(chǎn)業(yè)下一個(gè)“雄安”,。然而目前利用3D打印技術(shù)制備非晶合金的致命問題是成型的非晶合金內(nèi)部存在裂紋以及孔洞等缺陷,，這對(duì)于受力器件很難利用。非晶基復(fù)合材料可以改善非晶合金的一些性能缺陷,，尤其是可以提高非晶合金的室溫塑性,，近年來(lái)已經(jīng)成為非晶合金研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)。因此,，未來(lái)利用3D打印技術(shù)成型非晶基復(fù)合材料是實(shí)現(xiàn)其實(shí)用化的突破口之一,。

來(lái)源：非晶中國(guó)
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