大連交通大學：如何將3D打印技術用于制造非晶態(tài)金屬

非晶態(tài)金屬(金屬玻璃)又稱非晶態(tài)合金， 它既有金屬和玻璃的優(yōu)點， 又克服了它們各自的弊病.如玻璃易碎， 沒有延展性.金屬玻璃的強度高于鋼， 硬度超過高硬工具鋼， 且具有一定的韌性和剛性， 所以， 人們贊揚金屬玻璃為“敲不碎、砸不爛”的“玻璃之王”。之前南極熊報道，專注于貴金屬與高科技的德國賀利氏集團與Exmet合作正在研發(fā)的非晶態(tài)金屬3D打印技術。現(xiàn)在傳來喜訊，國內(nèi)的大連交通大學也正在進行相關技術的研發(fā)，并且取得了一定的進展。

非晶態(tài)金屬集眾多優(yōu)異性能于一身，如高強度、高硬度、耐磨以及耐腐蝕 等。這些優(yōu)異的性能使其在航空航天、汽車船舶、裝甲防護、精密儀器、電力、 能源、電子、生物醫(yī)學等領域都存在廣泛的應用前景。

大連交通大學研究非晶態(tài)金屬的制造已久，還通過采用熔體噴鑄的方法制備了板狀非晶合金Zr55Al10Ni5Cu3。我們一起來看他們是如何將3D打印技術用于制造非晶態(tài)金屬。

目前通常采用的 銅模鑄造法制備出的非晶態(tài)金屬的尺寸僅為厘米級，嚴重地制約其工程化應用。 另外，由于非晶態(tài)金屬存在嚴重的室溫脆性問題，其在室溫下難以進行機械加 工，所以難以獲得精密復雜的非晶態(tài)金屬構件。

激光3D打印技術加工非晶態(tài)金屬的難點在于，由于基于粉末床的激光3D打印是一種逐點離散熔覆沉積的成型方法，其每點所受激光加熱面積較小，熔池的熱量可以迅速向基體擴散;如果熔池的冷卻速率高于所打印金屬材料形成非晶態(tài)所需的臨界冷卻速率，則熔體在冷凝的過程中不發(fā)生晶化，即獲得非晶態(tài);逐層沉積則可制備具有復雜形狀、無尺寸限制的非晶態(tài)金屬構件。

在利用激光3D打印技術成形金屬構件的過程中，熔池附近的熱量主要通過所制備的金屬構件基體向外傳導，激光熔池的冷卻速率主要取決于金屬構件基體內(nèi)部的溫度梯度。對于成型需要較高冷卻速率的非晶態(tài)金屬構件，較低的基體溫度梯度會使熔池的熱量無法快速擴散出去，導致熔池在冷凝的過程中發(fā)生 晶化，導致無法獲得全非晶態(tài)的金屬構件，降低金屬構件的性能。大連交通大學通過提高熔池的冷卻速率，來達到激光3D打印成形非晶態(tài)金屬構件的目的。

大連理工大學通過真空操作環(huán)境中主要利用將工作臺外側設置冷卻液工作池，保證所制備的金屬構件始終處于較低溫度，提高金屬構件熔池附近的溫度梯度，從而快速高效地擴散掉金屬構件熔池附近熱量，進而避免晶化的發(fā)生。

粉末床工作臺安裝在冷卻液工作池內(nèi)，工作臺外周環(huán)繞有多層循環(huán)冷卻水管，循環(huán)冷卻水管的主體置于所述冷卻液工作池內(nèi)，循環(huán)冷卻水管的進、出水管穿過所述冷卻液工作池并置于真空手套箱外。

在打印過程中，激光3D打印成形的金屬構件始終浸泡于冷卻液中， 冷卻液的液面低于激光打印層面且保持在預設的高度，冷卻液的液面上升速率與激光3D成形金屬構件的堆積速率相等。從而保證激光熔池的熱量可以高效快速地通過金屬構件基體和冷卻液輸送掉。

△密蘇里科技大學研發(fā)3d打印非晶態(tài)金屬

通過調(diào)節(jié)冷卻液流量控制閥，控制冷卻液液面上升速度，使冷卻液液面始終低于激光打印層面一定距離，保證金屬構件熔池的熱量可以快速地經(jīng)金屬構件基體流向冷卻液;循環(huán)冷卻水管環(huán)繞工作臺多層并置于冷卻液工作池內(nèi)，可以及時帶走冷卻液熱量，降低冷卻液溫度。

目前大連交通大學這項技術的可行性與商業(yè)前景如何還有待后續(xù)跟蹤。不過，南極熊發(fā)現(xiàn)歐盟的增材制造路線圖中通過3D 打印制備非晶態(tài)金屬也屬于歐盟支持的路線圖中的一個方向，關于國際上在這一領域取得了哪些進展，有哪些公司在進行探索與研究，我們將保持持續(xù)研究與跟蹤。

本文參考專利：
CN105081321A:激光3D打印成形非晶態(tài)金屬構件冷卻系統(tǒng)及其冷卻方法
US20160067387:Amorphous Silicon Oxide, Amorphous Silicon Oxynitride, and Amorphous Silicon Nitride Thin Films and Uses Thereof

來源：3d科學谷
賀利氏集團研發(fā)非晶態(tài)金屬3D打印材料科學家利用3D打印開發(fā)新型非晶態(tài)金屬材料