大連交通大學(xué)：如何將3D打印技術(shù)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(qiáng)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(tuán)與Exmet合作正在研發(fā)的非晶態(tài)金屬3D打印技術(shù)。現(xiàn)在傳來喜訊，國內(nèi)的大連交通大學(xué)也正在進(jìn)行相關(guān)技術(shù)的研發(fā)，并且取得了一定的進(jìn)展。

非晶態(tài)金屬集眾多優(yōu)異性能于一身，如高強(qiáng)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(hù)、精密儀器、電力、 能源、電子、生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域都存在廣泛的應(yīng)用前景。

大連交通大學(xué)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(shù)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(yán)重地制約其工程化應(yīng)用。 另外，由于非晶態(tài)金屬存在嚴(yán)重的室溫脆性問題，其在室溫下難以進(jìn)行機(jī)械加 工，所以難以獲得精密復(fù)雜的非晶態(tài)金屬構(gòu)件。

激光3D打印技術(shù)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(kuò)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(fù)雜形狀、無尺寸限制的非晶態(tài)金屬構(gòu)件。

在利用激光3D打印技術(shù)成形金屬構(gòu)件的過程中，熔池附近的熱量主要通過所制備的金屬構(gòu)件基體向外傳導(dǎo)，激光熔池的冷卻速率主要取決于金屬構(gòu)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(gòu)件，較低的基體溫度梯度會使熔池的熱量無法快速擴(kuò)散出去，導(dǎo)致熔池在冷凝的過程中發(fā)生 晶化，導(dǎo)致無法獲得全非晶態(tài)的金屬構(gòu)件，降低金屬構(gòu)件的性能。大連交通大學(xué)通過提高熔池的冷卻速率，來達(dá)到激光3D打印成形非晶態(tài)金屬構(gòu)件的目的。

大連理工大學(xué)通過真空操作環(huán)境中主要利用將工作臺外側(cè)設(shè)置冷卻液工作池，保證所制備的金屬構(gòu)件始終處于較低溫度，提高金屬構(gòu)件熔池附近的溫度梯度，從而快速高效地擴(kuò)散掉金屬構(gòu)件熔池附近熱量，進(jìn)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(jìn)、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(gòu)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(yù)設(shè)的高度，冷卻液的液面上升速率與激光3D成形金屬構(gòu)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(gòu)件基體和冷卻液輸送掉。

△密蘇里科技大學(xué)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(gòu)件熔池的熱量可以快速地經(jīng)金屬構(gòu)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(xué)這項技術(shù)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(guān)于國際上在這一領(lǐng)域取得了哪些進(jìn)展，有哪些公司在進(jìn)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(gòu)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(xué)谷
賀利氏集團(tuán)研發(fā)非晶態(tài)金屬3D打印材料科學(xué)家利用3D打印開發(fā)新型非晶態(tài)金屬材料