大连交通大学：如何将3D打印技术用于制造非晶态金属

非晶态金属(金属玻璃)又称非晶态合金， 它既有金属和玻璃的优点， 又克服了它们各自的弊病.如玻璃易碎， 没有延展性.金属玻璃的强度高于钢， 硬度超过高硬工具钢， 且具有一定的韧性和刚性， 所以， 人们赞扬金属玻璃为“敲不碎、砸不烂”的“玻璃之王”。之前南极熊报道，专注于贵金属与高科技的德国贺利氏集团与Exmet合作正在研发的非晶态金属3D打印技术。现在传来喜讯，国内的大连交通大学也正在进行相关技术的研发，并且取得了一定的进展。

非晶态金属集众多优异性能于一身，如高强度、高硬度、耐磨以及耐腐蚀 等。这些优异的性能使其在航空航天、汽车船舶、装甲防护、精密仪器、电力、 能源、电子、生物医学等领域都存在广泛的应用前景。

大连交通大学研究非晶态金属的制造已久，还通过采用熔体喷铸的方法制备了板状非晶合金Zr55Al10Ni5Cu3。我们一起来看他们是如何将3D打印技术用于制造非晶态金属。

目前通常采用的 铜模铸造法制备出的非晶态金属的尺寸仅为厘米级，严重地制约其工程化应用。 另外，由于非晶态金属存在严重的室温脆性问题，其在室温下难以进行机械加 工，所以难以获得精密复杂的非晶态金属构件。

激光3D打印技术加工非晶态金属的难点在于，由于基于粉末床的激光3D打印是一种逐点离散熔覆沉积的成型方法，其每点所受激光加热面积较小，熔池的热量可以迅速向基体扩散;如果熔池的冷却速率高于所打印金属材料形成非晶态所需的临界冷却速率，则熔体在冷凝的过程中不发生晶化，即获得非晶态;逐层沉积则可制备具有复杂形状、无尺寸限制的非晶态金属构件。

在利用激光3D打印技术成形金属构件的过程中，熔池附近的热量主要通过所制备的金属构件基体向外传导，激光熔池的冷却速率主要取决于金属构件基体内部的温度梯度。对于成型需要较高冷却速率的非晶态金属构件，较低的基体温度梯度会使熔池的热量无法快速扩散出去，导致熔池在冷凝的过程中发生 晶化，导致无法获得全非晶态的金属构件，降低金属构件的性能。大连交通大学通过提高熔池的冷却速率，来达到激光3D打印成形非晶态金属构件的目的。

大连理工大学通过真空操作环境中主要利用将工作台外侧设置冷却液工作池，保证所制备的金属构件始终处于较低温度，提高金属构件熔池附近的温度梯度，从而快速高效地扩散掉金属构件熔池附近热量，进而避免晶化的发生。

粉末床工作台安装在冷却液工作池内，工作台外周环绕有多层循环冷却水管，循环冷却水管的主体置于所述冷却液工作池内，循环冷却水管的进、出水管穿过所述冷却液工作池并置于真空手套箱外。

在打印过程中，激光3D打印成形的金属构件始终浸泡于冷却液中， 冷却液的液面低于激光打印层面且保持在预设的高度，冷却液的液面上升速率与激光3D成形金属构件的堆积速率相等。从而保证激光熔池的热量可以高效快速地通过金属构件基体和冷却液输送掉。

△密苏里科技大学研发3d打印非晶态金属

通过调节冷却液流量控制阀，控制冷却液液面上升速度，使冷却液液面始终低于激光打印层面一定距离，保证金属构件熔池的热量可以快速地经金属构件基体流向冷却液;循环冷却水管环绕工作台多层并置于冷却液工作池内，可以及时带走冷却液热量，降低冷却液温度。

目前大连交通大学这项技术的可行性与商业前景如何还有待后续跟踪。不过，南极熊发现欧盟的增材制造路线图中通过3D 打印制备非晶态金属也属于欧盟支持的路线图中的一个方向，关于国际上在这一领域取得了哪些进展，有哪些公司在进行探索与研究，我们将保持持续研究与跟踪。

本文参考专利：
CN105081321A:激光3D打印成形非晶态金属构件冷却系统及其冷却方法
US20160067387:Amorphous Silicon Oxide, Amorphous Silicon Oxynitride, and Amorphous Silicon Nitride Thin Films and Uses Thereof

来源：3d科学谷
贺利氏集团研发非晶态金属3D打印材料科学家利用3D打印开发新型非晶态金属材料