利用激光增材制造技術(shù)在太空中制造金屬玻璃

來源： 高能束加工技術(shù)

德國航空航天中心空間材料物理研究所Christian Neumann教授和他的團(tuán)隊在NPJ Microgravity國際雜志上發(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，它們在這一領(lǐng)域的結(jié)合鮮有研究,。為了結(jié)合這兩個主題,，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,、成本和微重力時間之間提供了一個很好的折衷，因此,，在系統(tǒng)符合微重力拋物線飛行應(yīng)用條件后,，選擇探空火箭作為實驗環(huán)境。這項工作的發(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��,。因此，這大大推進(jìn)了原位資源利用(ISRU)和空間制造(ISM),，并為未來在長時間微重力環(huán)境下的測試鋪平了道路,。
Laser & Electron Beam Processing

論文概述
BMG是一種相對較新的材料，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)勢的性能,，并且在過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,。由于在鑄造過程中增加厚度時冷卻速度下降和結(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期任務(wù),，開發(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,，必須滿足在微重力下處理粉末的挑戰(zhàn),。在幾次探空火箭飛行中，建造了通過增材制造模擬在太空中生產(chǎn)的Zr基金屬玻璃,。通過一層一層地構(gòu)建玻璃層,，繞過這些尺寸限制，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
建造過程發(fā)生在一個插入物中：一個易于拆卸的墨盒(如圖1所示),，可以通過一個艙口進(jìn)入，艙口包括粉末容器,、Z軸和E軸驅(qū)動器以及建造平臺,。這樣,，當(dāng)設(shè)備在起飛前處于飛行配置時,，構(gòu)建平臺或粉末，甚至整個墨盒可以很容易地交換,。當(dāng)粉末作為粉末床的一部分時,，它必須在失重狀態(tài)下保持穩(wěn)定，同時又要有足夠的流動性,，以便在粉末床上涂抹新的粉末層,。

圖1.墨盒所在的構(gòu)建平臺和粉末容器。

采用拋物線狀飛行,，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,，在第一次測試構(gòu)建的末端部分是明顯有缺陷的,，可以在下一個構(gòu)建中排除：過高的能量輸入(較高的功率和較低的速度，見圖2右下角),，或者在能量輸入不足(較低的功率和較高的速度，見圖2左上角)時,，表面非常粗糙,，可見未完全熔化的粉末,。

圖2.不同參數(shù)的AMZ4線段示例。

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(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)與實驗室樣品(M10-lab，相同參數(shù))的對比結(jié)果如圖5所示,，為兩條典型的衍射圖曲線,。來自構(gòu)建平臺的信號顯示為峰值識別。建造平臺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，可以把建造平臺移除,，因此不會出現(xiàn)鋼的峰,。

圖6.M10µg樣品與同步加速器中分段實驗室樣品和鑄造樣品的對比。

總結(jié)
AMZ4樣品在實驗中并非是完全無定形。對于AMZ4來說,，這至少可以部分解釋為在工業(yè)PBF-LB過程中,，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)計標(biāo)準(zhǔn)和優(yōu)化目標(biāo)導(dǎo)致的,。雖然在工業(yè)過程中，速度是一個高度加權(quán)的因素,，但對于火箭有效載荷來說,，緊湊性和穩(wěn)健性是必不可少的。然而,，采用較多層數(shù)的地面實驗表明,，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概念的有效性,。下一步是在軌道平臺上運(yùn)行這個過程，以獲得更多的微重力時