非晶態(tài)金屬（金屬玻璃）又稱(chēng)非晶態(tài)合金， 它既有金屬和玻璃的優(yōu)點(diǎn)， 又克服了它們各自的弊病．如玻璃易碎， 沒(méi)有延展性．金屬玻璃的強(qiáng)度高于鋼， 硬度超過(guò)高硬工具鋼， 且具有一定的韌性和剛性， 所以， 人們贊揚(yáng)金屬玻璃為“敲不碎、砸不爛”的“玻璃之王”。

    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(chē)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(guò)采用熔體噴鑄的方法制備了板狀非晶合金Zr55Al10Ni5Cu3。本期，就和網(wǎng)友一起來(lái)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(jí)，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(wèn)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(diǎn)在于，由于基于粉末床的激光3D打印是一種逐點(diǎn)離散熔覆沉積的成型方法，其每點(diǎn)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(guò)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(wú)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(guò)程中，熔池附近的熱量主要通過(guò)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(duì)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(huì)使熔池的熱量無(wú)法快速擴(kuò)散出去，導(dǎo)致熔池在冷凝的過(guò)程中發(fā)生 晶化，導(dǎo)致無(wú)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(guò)提高熔池的冷卻速率，來(lái)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(guò)真空操作環(huán)境中主要利用將工作臺(tái)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?cái)U(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(tái)安裝在冷卻液工作池內(nèi)，工作臺(tái)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(guò)所述冷卻液工作池并置于真空手套箱外。

     在打印過(guò)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(guò)金屬構(gòu)件基體和冷卻液輸送掉。

    通過(guò)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(tái)多層并置于冷卻液工作池內(nèi)，可以及時(shí)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(xiàng)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(guò)，歐盟的增材制造路線(xiàn)圖中通過(guò)3D 打印制備非晶態(tài)金屬也屬于歐盟支持的路線(xiàn)圖中的一個(gè)方向，關(guān)于國(guó)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，中國(guó)3D打印網(wǎng)將保持持續(xù)研究與跟蹤。

本文參考專(zhuān)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(lái)源：3D科學(xué)谷

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