3D 打印技術(shù)在液態(tài)金屬領(lǐng)域的應(yīng)用

來源：盤星新型合金材料(常州)有限公司

液態(tài)金屬又稱非晶態(tài)合金,、金屬玻璃，具有短程有序,、長程無序的亞穩(wěn)態(tài)結(jié) 構(gòu)特征,。固態(tài)時(shí)其原子的三維空間呈拓?fù)錈o序排列,，并在一定溫度范圍內(nèi)這種狀 態(tài)保持相對(duì)穩(wěn)定,。與晶態(tài)合金相比,，非晶合金具備許多優(yōu)異性能，如高硬度,、高 強(qiáng)度,、高電阻、耐蝕及耐磨等,。塊體非晶合金材料的迅速發(fā)展,，為材料科研工作 者和工業(yè)界研究開發(fā)高性能的功能材料和結(jié)構(gòu)材料提供了十分重要的機(jī)會(huì)和巨 大的開拓空間。然而,，非晶合金的潛力還沒有被完全的開發(fā)出來,，因?yàn)榧夹g(shù)限制: 制備非晶合金常常需要較大的冷卻速率從熔體狀態(tài)迅速冷卻到凝固態(tài),，這嚴(yán)重限 制了非晶合金的制造方法,。最常用的工藝是鑄造，但其他加工路線也可用于制備 非晶合金[1-2],。

對(duì)于鑄造,，重要的是熔體凝固所用的模具是由具有高導(dǎo)熱性和大 的熱容量的材料(如 Cu)組成。當(dāng)模腔較大且冷卻速度較低時(shí),，給定的成分必 須要具有較高的非晶形成能力才可以成功制備成非晶態(tài)[3],。鑄造的內(nèi)在平衡使 得他只適用于具有良好非晶形成能力的成分或小尺寸的非晶合金。此外,，鑄造只 能制備一些簡單幾何尺寸的零件如棒材或板材[4],。

圖 1. 條帶、粉末,、3D 打印支腳和柱面的 X-射線衍射圖和熱重分析曲線

最近,，3D 打印技術(shù)的發(fā)展為制備尺寸復(fù)雜的大塊體非晶合金提供了一個(gè)新 的方案,。3D 打印技術(shù)時(shí)基于分層疊加制造思想，利用高能量激光束將金屬粉末 逐層熔化并成形為金屬零件,，集成了先進(jìn)的激光技術(shù),、計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與制造技 術(shù)、計(jì)算機(jī)控制技術(shù),、真空技術(shù),、粉末冶金技術(shù)等;與傳統(tǒng)的金屬成形方法(高 速切削、粉末壓制,、鑄造,、壓力加工)相比，3D 打印技術(shù)制備的零件具有形狀 復(fù)雜,、相對(duì)密度高等優(yōu)點(diǎn)[5-7],。

利用高能量密度的激光束將小體積粉體快速加熱 至熔化狀態(tài)，激光束移動(dòng)熔體快速凝固,，加熱及冷卻速率可達(dá) 103~108K/s,，滿足大部分非晶材料的形成要求。Pauly 等人采用波長為 1070nm,，最大功率為 400W 的鐿光纖激光器,，高溫熔化鐵基非晶粉體制造出的支架結(jié)構(gòu)，冷卻速率一 般可以達(dá)到 103-104 K / s 的數(shù)值,，從而避開 CCT 圖中的結(jié)晶區(qū)域,。證明了 3D 打 印技術(shù)能夠制備出非晶合金部件。圖一為條帶,、粉末,、3D 打印支腳和柱面的 X- 射線衍射圖及 DSC 熱重曲線圖。

圖 2. 3D 打印過程及成品圖,。

圖 2 為 3D 打印的過程及成品圖,。隨后，Jung 等 人提出通過提高基底溫度可以減少熔體和凝固層的溫度差,，避免微裂紋的產(chǎn)生,， 并通過對(duì) 3D 打印工藝參數(shù)的優(yōu)化，使得試樣致密度超過 99%,，保持了鐵基非晶 合金優(yōu)異的軟磁性能. 西澳大學(xué)的 Li 等人對(duì) 3D 打印成形非晶合金的組織結(jié)構(gòu)演 變和工藝優(yōu)化做了較為系統(tǒng)的研究,。研究不同掃描策略時(shí)發(fā)現(xiàn)，多次掃描可以使 熔體流動(dòng)更為均勻,，從而得到更均勻的元素分布;因此,，可以通過控制工藝參數(shù) 進(jìn)而控制鋯基非晶相的形成、微觀組織和力學(xué)性能,。通過該方法成功制備出無裂 紋 Al85Ni5Y6Co2Fe2 非晶合金齒輪,，如圖 3 所示,。

圖 3. 非晶齒輪

盤星新型合金材料(常州)有限公司目前已成功制備出多種體系如鐵基，鈦基,，鋯基等非晶態(tài)金屬粉末,，產(chǎn)品粒度均勻，球形度高,，含氧量低,，可批量化生 產(chǎn)，并成功應(yīng)用于 3D 打印中,，所打印出的試件具有高的致密度和強(qiáng)度,。公司具 備成熟的非晶與 3D 打印的研發(fā)與生產(chǎn)體系，隨著更加深入的研究,，有望,，從根 本上建立缺陷與工藝之間的物理模型，闡明缺陷產(chǎn)生和工藝調(diào)控機(jī)理,，成形出無 裂紋無晶化,，具有高性能且形狀復(fù)雜的非晶態(tài)合金。此外,，非晶合金作為一種強(qiáng) 度,、硬度及耐磨性極高的合金，作為增強(qiáng)相提升晶態(tài)合金性能比陶瓷相具有更好 的相容性,，因此非晶增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料也將是一個(gè)重要的研究發(fā)展方向,。

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