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)時其原子的三維空間呈拓撲無序排列，并在一定溫度范圍內(nèi)這種狀 態(tài)保持相對穩(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會和巨 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，因為技術(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。當模腔較大且冷卻速度較低時，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新 的方案。3D 打印技術(shù)時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，集成了先進的激光技術(shù)、計算機輔助設(shè)計與制造技 術(shù)、計算機控制技術(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、相對密度高等優(yōu)點[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)，激光束移動熔體快速凝固，加熱及冷卻速率可達 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 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 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發(fā)現(xiàn)，多次掃描可以使 熔體流動更為均勻，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 度、硬度及耐磨性極高的合金，作為增強相提升晶態(tài)合金性能比陶瓷相具有更好 的相容性，因此非晶增強金屬基復(fù)合材料也將是一個重要的研究發(fā)展方向。

參考文獻
[1] Turnbull, David. "Metastable structures in metallurgy."Metallurgical Transactions B 12.2 (1981): 217-230.
[2] Johnson, William L. "Thermodynamic and kinetic aspects of the crystal to glass transformation in metallic materials." Progress in Materials Science 30.2 (1986): 81- 134.
[3] Wang, Wei-Hua, Chuang Dong, and C. H. Shek. "Bulk metallic glasses." Materials Science and Engineering: R: Reports 44.2-3 (2004): 45-89.
[4] Turnbull, David. "Metastable structures in metallurgy."Metallurgical Transactions B 12.2 (1981): 217-230.
[5] 章媛潔, et al. "3D 打印非晶合金材料工藝及性能的研究進展." 材料工 程 46.7(2018):12-18.
[6]張學(xué)軍等. "3D 打印技術(shù)研究現(xiàn)狀和關(guān)鍵技術(shù)." 材料工程 44.2(2016):122- 128.
[7] 王延慶, 沈競興, 吳海全. "3D 打印材料應(yīng)用和研究現(xiàn)狀." 航空材料學(xué)報 36.4(2016):89-98.