復(fù)合材料激光粉末床熔合 (LPBF)打印金屬玻璃，保持玻璃的非晶態(tài)、非晶體結(jié)構(gòu)！

金屬玻璃（MG）或非晶金屬是具有無序原子結(jié)構(gòu)的材料，與傳統(tǒng)金屬中的有序晶格不同，這種獨(dú)特的結(jié)構(gòu)為它們提供了卓越的強(qiáng)度、硬度、彈性和耐腐蝕性。這些特性使得它們適用于從電子到航空航天的各種應(yīng)用。增材制造 (AM)特別適合使用金屬玻璃等材料，因?yàn)樗�能夠快速冷卻熔融材料，這對于保持玻璃的非晶態(tài)、非晶體結(jié)構(gòu)至關(guān)重要，同時還可以精確制造復(fù)雜的形狀和幾何形狀，使用傳統(tǒng)制造方法通常很難實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)。




Lukasz Zrodowski 是金屬增材制造領(lǐng)域的先驅(qū)發(fā)明家，專門研究 MG 打印、超聲波霧化技術(shù)和自動支撐去除技術(shù)。目前，他在其公司AMAZEMET和華沙理工大學(xué)領(lǐng)導(dǎo)著一支由約 17 名工程師和研究人員組成的充滿活力的團(tuán)隊(duì)。2023年11月，Lukasz分享了他在金屬玻璃及其復(fù)合材料激光粉末床熔合 (LPBF) 以及增材制造 (DfAM) 材料特定設(shè)計方面的開創(chuàng)性工作的見解。


△Lukasz Zrodowski

研究概述
Lukasz的團(tuán)隊(duì)最近在MG及其復(fù)合材料的LPBF方面的工作引起了科學(xué)界的關(guān)注，特別是在材料科學(xué)和制造領(lǐng)域。Lukasz表示他們的研究主要集中在將 LPBF 應(yīng)用于 MG 及其復(fù)合材料。金屬玻璃于 20 世紀(jì) 60 年代被發(fā)現(xiàn)，以其獨(dú)特的軟磁特性而聞名。然而，由于延展性差和制造工藝復(fù)雜等挑戰(zhàn)，它們作為結(jié)構(gòu)材料的潛力受到一定限制。

在研究中，Lukasz引入了一種使用 LPBF 工藝生產(chǎn)高度取向的晶體非晶復(fù)合材料的策略：
●通過對 AMZ4（由 Ralf Busch 教授設(shè)計）和等原子 CuZr 等特定非晶合金采用新穎的兩階段熔化方法和超高壓熱等靜壓 (HIP)。

●通過 AMAZEMET 的超聲波霧化技術(shù)進(jìn)行霧化，取得了顯著的成果。

●通過調(diào)整激光參數(shù)，可以生產(chǎn)完全由非晶材料制成的零件。

●此外，可以基于層壓非晶態(tài)結(jié)構(gòu)創(chuàng)建具有特定幾何結(jié)構(gòu)微觀結(jié)構(gòu)設(shè)計的復(fù)合材料。

Lukasz的研究為非平衡相分布設(shè)計開辟了新的可能性，為采用 LPBF 和其他粉末床熔融技術(shù)設(shè)計零件的微觀結(jié)構(gòu)提供了潛力。研究人員相信這種方法可以徹底改變產(chǎn)品設(shè)計和制造，特別是在大塊金屬玻璃領(lǐng)域，預(yù)計未來該領(lǐng)域的商業(yè)化將會增加。

挑戰(zhàn)與機(jī)遇
LPBF是一種增材制造技術(shù)，有可能徹底改變產(chǎn)品設(shè)計和制造， Lukasz研究團(tuán)隊(duì)還將DfAM的概念應(yīng)用于MG及其復(fù)合材料。MG 一直表現(xiàn)出有前景的機(jī)械和化學(xué)特性。然而，由于延展性差和傳統(tǒng)制造工藝復(fù)雜等固有挑戰(zhàn)，它們作為結(jié)構(gòu)材料的應(yīng)用受到限制。例如，MG 的注塑需要高純度的原料和昂貴的模具。此外，雖然已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了許多MG組合物，但只有少數(shù)組合物具有玻璃形成能力、韌性和可加工性的理想組合，從而在經(jīng)濟(jì)上可行。

通過 LPBF，研究成功克服了 MG 的一些傳統(tǒng)制造挑戰(zhàn)，包括機(jī)械加工性差和鑄件直徑限制。然而，LPBF 在處理 MG 時也提出了自己的挑戰(zhàn)。由于 MG 的亞穩(wěn)態(tài)性質(zhì)，優(yōu)化 LPBF 通常需要平衡孔隙率的控制與晶相含量。LPBF 工藝中的高能量密度可以降低孔隙率，但也可能加速熱影響區(qū) (HAZ) 的失透，通常被認(rèn)為是材料缺陷。

Lukasz的方法受 DfAM 原理的影響，使用兩階段熔化策略。該方法將激光和粉末之間的相互作用與最終致密化和微觀結(jié)構(gòu)設(shè)計階段分開。因此可以生產(chǎn)幾乎致密的 MG 及其復(fù)合材料，同時避免過多的熱量積累。該技術(shù)不僅解決了傳統(tǒng) MG 制造的挑戰(zhàn)，還為各行業(yè)的創(chuàng)新 MG 應(yīng)用打開了大門。


△LPBF過程中金屬玻璃結(jié)晶的控制過程

研究材料
Lukas的研究主要集中在塊狀金屬玻璃 (BMG) 研究中的基準(zhǔn)合金 AMZ4 (Zr59.3Cu28.8Al10.4Nb1.5)，由 Ralf Busch 開發(fā)。2017 年，AMZ4 是為數(shù)不多的球形粉末形式的玻璃形成合金之一。作為概念驗(yàn)證，研究人員將打印策略應(yīng)用于通過超聲波霧化霧化的等原子 CuZr 非晶合金。然而，這些合金最初并不是為 LPBF 開發(fā)的，需要對專為 LPBF 設(shè)計的具有特定 MG 成分的合金進(jìn)行進(jìn)一步研究。

AMAZEMET 開發(fā)的超聲波霧化器（rePOWDER）將加速新型、有前途的合金的開發(fā)，例如最近霧化的 Ti-S BMG。杜伊斯堡埃森大學(xué)的研究人員展示了這些合金在形成致密和非晶部件方面的潛力，標(biāo)志著該領(lǐng)域向前邁出了重要一步。


△金屬玻璃組件

未來發(fā)展
使用我們的方法通過 LPBF 打印 MG 需要復(fù)雜的 LPBF 掃描策略，可能超出某些標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)軟件的功能�？梢酝ㄟ^一些軟件技巧手動實(shí)現(xiàn)對簡單幾何形狀的這些策略。然而，復(fù)雜的幾何形狀需要開發(fā)自動激光掃描策略，特別是對于復(fù)合材料。為了促進(jìn)這一過程并促進(jìn)該技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化，需要新的LPBF模型。這些模型應(yīng)考慮非平衡相變和非晶相結(jié)晶。

在 MG 打印中，有效管理材料的熱量輸入至關(guān)重要。因此，主動過程控制（例如與合適軟件集成的熱感相機(jī)或高溫計）被引入打印機(jī)。這些控制可以為當(dāng)前使用 MG 打印復(fù)雜形狀所面臨的挑戰(zhàn)提供解決方案，例如由于熱量積聚導(dǎo)致的局部失透或應(yīng)力集中引起的開裂。


△金屬玻璃齒輪

實(shí)驗(yàn)步驟

●材料選擇：最初，使用 AMZ4 合金，因?yàn)樗�具有商業(yè)可用性、優(yōu)異的玻璃形成能力和其他有利的特性。

●激光熔化使用 Realizer SLM 50 機(jī)器來加工材料。LPBF 工藝的優(yōu)化分為三個階段：在散裝材料和粉末中創(chuàng)建單軌、掃描策略的驗(yàn)證以及激光參數(shù)的微調(diào)。

●后處理：在激光熔化工藝之后，使用熱等靜壓 (HIP) 實(shí)現(xiàn)了最終致密化。

●熱分析：采用差示掃描量熱法(DSC)來量化玻璃相含量。

●微觀結(jié)構(gòu)表征：使用光學(xué)顯微鏡進(jìn)行初步表征；利用電子顯微鏡（包括 SEM 和 STEM）來識別樣品中的微晶；進(jìn)行顯微 CT 檢查以詳細(xì)評估樣品的內(nèi)部孔隙率。

●機(jī)械測試：對樣本進(jìn)行了 4 點(diǎn)彎曲測試，以評估其機(jī)械性能。還使用銷盤測試來評估耐磨性。

●納米壓痕：用于繪制復(fù)合材料樣品的硬度和彈性模量。

●在 CuZr 材料上的應(yīng)用：作為概念驗(yàn)證，相同的打印策略也適用于 CuZr 材料。

與此同時，將打印 MG 復(fù)合材料的專利商業(yè)化，隨后成立了一家制造超聲波霧化器的公司，該公司現(xiàn)在擁​​有 60 多名員工。

應(yīng)用領(lǐng)域
當(dāng)前使用 LPBF 打印的 MG 合金的局限性（例如結(jié)晶相的高脆性）抑制了使用 DfAM 設(shè)計具有優(yōu)化形狀和微觀結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料零件的全部潛力。當(dāng)專用合金被開發(fā)出來時，新的應(yīng)用將會出現(xiàn)：

●例如具有材料特性的植入物，例如通過形狀（晶格結(jié)構(gòu)）和微觀結(jié)構(gòu)在單個零件上定制的剛度。

●電動機(jī)的轉(zhuǎn)子，其中非晶相和晶相的不同矯頑力可以實(shí)現(xiàn)更高效的轉(zhuǎn)子設(shè)計。

具有復(fù)合微觀結(jié)構(gòu)的 DfAM 概念可以與其他非玻璃形成合金一起進(jìn)一步探索，其中原位局部熱處理的概念可以增加另一個維度——增材制造的微觀結(jié)構(gòu)設(shè)計。

Lukasz Zrodowski 及其 AMAZEMET 團(tuán)隊(duì)與華沙理工大學(xué)合作的工作代表了 AM 和 MG 領(lǐng)域的重大飛躍。他們創(chuàng)新地利用 LPBF 來制造高度取向的晶體非晶復(fù)合材料，展示了徹底改變材料科學(xué)和制造的潛力。通過解決與傳統(tǒng)金屬玻璃制造相關(guān)的挑戰(zhàn)并采用獨(dú)特的兩階段熔化策略，他們不僅增強(qiáng)了這些材料的可行性，還為其在各個行業(yè)的應(yīng)用開辟了新途徑。采用金屬玻璃的 DfAM 的未來看起來很有希望，其潛在應(yīng)用范圍從醫(yī)療植入到更高效的電機(jī)設(shè)計。這項(xiàng)開創(chuàng)性的工作為 MG 復(fù)合材料的進(jìn)一步探索和商業(yè)化鋪平了道路，標(biāo)志著這些材料的科學(xué)研究和實(shí)際應(yīng)用取得了顯著進(jìn)步。