利用激光增材制造技術(shù)在太空中制造金屬玻璃

來(lái)源： 高能束加工技術(shù)

德國(guó)航空航天中心空間材料物理研究所Christian Neumann教授和他的團(tuán)隊(duì)在NPJ Microgravity國(guó)際雜志上發(fā)表文章Additive manufacturing of metallic glass from powder in space,。

金屬玻璃(BMG)和激光粉床熔融(PBF-LB)都具有在空間應(yīng)用的特性,。然而，它們?cè)谶@一領(lǐng)域的結(jié)合鮮有研究,。為了結(jié)合這兩個(gè)主題,，在獨(dú)立于重力環(huán)境的粉末工藝中制造大塊金屬玻璃零件。探空火箭在可用性,、成本和微重力時(shí)間之間提供了一個(gè)很好的折衷,，因此，在系統(tǒng)符合微重力拋物線(xiàn)飛行應(yīng)用條件后,，選擇探空火箭作為實(shí)驗(yàn)環(huán)境,。這項(xiàng)工作的發(fā)現(xiàn)表明，在微重力環(huán)境下,，使用粉末原料制造零件是可能的,，粉末原料比金屬絲更緊湊，更容易運(yùn)輸?shù)教�空中。因��,，這大大推進(jìn)了原位資源利用(ISRU)和空間制造(ISM),，并為未來(lái)在長(zhǎng)時(shí)間微重力環(huán)境下的測(cè)試鋪平了道路。
Laser & Electron Beam Processing

論文概述
BMG是一種相對(duì)較新的材料,，可以追溯到20世紀(jì)60年代初,。根據(jù)不同的成分，它們具有吸引人的性能,，如優(yōu)異的耐腐蝕性,，良好的機(jī)械性能，低摩擦系數(shù),。盡管BMG具有優(yōu)勢(shì)的性能,，并且在過(guò)去的幾十年里取得了巨大的進(jìn)步，但使用BMG作為結(jié)構(gòu)部件和工具的最大障礙是制造部件的尺寸,。由于在鑄造過(guò)程中增加厚度時(shí)冷卻速度下降和結(jié)晶性增加,，厚度通常限制在幾毫米到幾厘米。為了將空間探索推進(jìn)到低地球軌道以外的長(zhǎng)期任務(wù),，開(kāi)發(fā)和采用ISM和ISRU技術(shù)將是至關(guān)重要的,。為了在這些努力中利用基于激光的粉末床融合的優(yōu)勢(shì)，必須滿(mǎn)足在微重力下處理粉末的挑戰(zhàn),。在幾次探空火箭飛行中,，建造了通過(guò)增材制造模擬在太空中生產(chǎn)的Zr基金屬玻璃。通過(guò)一層一層地構(gòu)建玻璃層,，繞過(guò)這些尺寸限制,，并且可以形成比鑄造更厚的非晶態(tài)部件。
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圖文解析
建造過(guò)程發(fā)生在一個(gè)插入物中：一個(gè)易于拆卸的墨盒(如圖1所示),，可以通過(guò)一個(gè)艙口進(jìn)入,，艙口包括粉末容器、Z軸和E軸驅(qū)動(dòng)器以及建造平臺(tái),。這樣,，當(dāng)設(shè)備在起飛前處于飛行配置時(shí)，構(gòu)建平臺(tái)或粉末,，甚至整個(gè)墨盒可以很容易地交換。當(dāng)粉末作為粉末床的一部分時(shí),，它必須在失重狀態(tài)下保持穩(wěn)定,，同時(shí)又要有足夠的流動(dòng)性，以便在粉末床上涂抹新的粉末層,。

圖1.墨盒所在的構(gòu)建平臺(tái)和粉末容器,。

采用拋物線(xiàn)狀飛行，選用粒度為20-53µm的1.4404不銹鋼粉末和粒度為45-100µm的Zr基金屬玻璃AMZ4,。使用不同范圍的激光速度(1000 - 5500 mm min -1)和激光功率(55 - 230 W)的參數(shù)值來(lái)構(gòu)建,。沿Y軸方向增加激光功率,，沿X軸方向增加激光掃描速度，在搭建平臺(tái)上形成二維分段網(wǎng)格,，如圖2所示,。通常情況下，在第一次測(cè)試構(gòu)建的末端部分是明顯有缺陷的,，可以在下一個(gè)構(gòu)建中排除：過(guò)高的能量輸入(較高的功率和較低的速度,，見(jiàn)圖2右下角)，或者在能量輸入不足(較低的功率和較高的速度,，見(jiàn)圖2左上角)時(shí),，表面非常粗糙，可見(jiàn)未完全熔化的粉末,。

圖2.不同參數(shù)的AMZ4線(xiàn)段示例,。

這種方法采用的是如圖3所示的“A + B”掃描策略。這種策略包括兩個(gè)不同的層A和B,，它們幾乎相同,，但移位了一半艙口距離，并且在激光方向上相反,，激光沿著垂直于代表平面的軸移動(dòng)(A：朝向讀者,，B：遠(yuǎn)離他們)。這種策略可以在構(gòu)建致密部件時(shí)減少孔隙度和孔洞,。

圖3.分段“A + B”掃描策略示意圖,。

在這樣的掃描策略下，金屬玻璃有很高致密度的,，需要進(jìn)行對(duì)晶體更仔細(xì)的檢查,。不同的激光功率和掃描速度產(chǎn)生不同的晶體分?jǐn)?shù)。SEM結(jié)果如圖4所示,。樣品顯示結(jié)晶區(qū)域(圖4中暗區(qū))是跨界區(qū)域,。在圖4(a)中，這些區(qū)域周期性地出現(xiàn),，而在圖4(b)中的存在似乎更加混亂,。在樣品的邊緣附近，邊界處有特別明顯的結(jié)晶區(qū),。

圖4.掃描電鏡照片,。

飛行樣品(M10-µg，激光功率為75 W,，掃描速度為4000 mm min -1)與實(shí)驗(yàn)室樣品(M10-lab,，相同參數(shù))的對(duì)比結(jié)果如圖5所示，為兩條典型的衍射圖曲線(xiàn)。來(lái)自構(gòu)建平臺(tái)的信號(hào)顯示為峰值識(shí)別,。建造平臺(tái)上的鋼材很容易被發(fā)現(xiàn),，樣品部分呈結(jié)晶狀。

圖5.M10-µg樣品與同步加速器中M10-lab樣品,。

與M10樣品具有相同參數(shù)的AMZ4片段具有如圖6所示的較低的結(jié)晶分?jǐn)?shù),，其中與M10-µg相比，該部分足夠大,，可以把建造平臺(tái)移除,，因此不會(huì)出現(xiàn)鋼的峰。

圖6.M10µg樣品與同步加速器中分段實(shí)驗(yàn)室樣品和鑄造樣品的對(duì)比,。

總結(jié)
AMZ4樣品在實(shí)驗(yàn)中并非是完全無(wú)定形,。對(duì)于AMZ4來(lái)說(shuō)，這至少可以部分解釋為在工業(yè)PBF-LB過(guò)程中,，掃描速度通常比使用MARS-M要高得多,，這將導(dǎo)致最終產(chǎn)品中非晶材料的比例更高。這是由于不同的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和優(yōu)化目標(biāo)導(dǎo)致的,。雖然在工業(yè)過(guò)程中,，速度是一個(gè)高度加權(quán)的因素，但對(duì)于火箭有效載荷來(lái)說(shuō),，緊湊性和穩(wěn)健性是必不可少的,。然而，采用較多層數(shù)的地面實(shí)驗(yàn)表明,，樣品的很大一部分是非晶態(tài)的,。結(jié)晶區(qū)位于層間區(qū)，有待進(jìn)一步研究,。然而,，在探空火箭上成功地用AMZ4粉末制造了金屬玻璃樣品。這擴(kuò)展了微重力下粉末處理氣體流動(dòng)概念的有效性,。下一步是在軌道平臺(tái)上運(yùn)行這個(gè)過(guò)程,，以獲得更多的微重力時(shí)