利用激光增材制造技術在太空中制造金屬玻璃

來源： 高能束加工技術

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)都具有在空間應用的特性。然而，它們在這一領域的結合鮮有研究。為了結合這兩個主題，在獨立于重力環(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，更容易運輸?shù)教�空中。因此，這大大推進了原位資源利用(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步，但使用BMG作為結構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到低地球軌道以外的長期任務，開發(fā)和采用ISM和ISRU技術將是至關重要的。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的Zr基金屬玻璃。通過一層一層地構建玻璃層，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入，艙口包括粉末容器、Z軸和E軸驅動器以及建造平臺。這樣，當設備在起飛前處于飛行配置時，構建平臺或粉末，甚至整個墨盒可以很容易地交換。當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格，如圖2所示。通常情況下，在第一次測試構建的末端部分是明顯有缺陷的，可以在下一個構建中排除：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：遠離他們)。這種策略可以在構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，需要進行對晶體更仔細的檢查。不同的激光功率和掃描速度產生不同的晶體分數(shù)。SEM結果如圖4所示。樣品顯示結晶區(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))的對比結果如圖5所示，為兩條典型的衍射圖曲線。來自構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所示的較低的結晶分數(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
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，這將導致最終產品中非晶材料的比例更高。這是由于不同的設計標準和優(yōu)化目標導致的。雖然在工業(yè)過程中，速度是一個高度加權的因素，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。結晶區(qū)位于層間區(qū)，有待進一步研究。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行這個過程，以獲得更多的微重力時