3D 打印技术在液态金属领域的应用

来源：盘星新型合金材料(常州)有限公司

液态金属又称非晶态合金、金属玻璃，具有短程有序、长程无序的亚稳态结 构特征。固态时其原子的三维空间呈拓扑无序排列，并在一定温度范围内这种状 态保持相对稳定。与晶态合金相比，非晶合金具备许多优异性能，如高硬度、高 强度、高电阻、耐蚀及耐磨等。块体非晶合金材料的迅速发展，为材料科研工作 者和工业界研究开发高性能的功能材料和结构材料提供了十分重要的机会和巨 大的开拓空间。然而，非晶合金的潜力还没有被完全的开发出来，因为技术限制: 制备非晶合金常常需要较大的冷却速率从熔体状态迅速冷却到凝固态，这严重限 制了非晶合金的制造方法。最常用的工艺是铸造，但其他加工路线也可用于制备 非晶合金[1-2]。

对于铸造，重要的是熔体凝固所用的模具是由具有高导热性和大 的热容量的材料(如 Cu)组成。当模腔较大且冷却速度较低时，给定的成分必 须要具有较高的非晶形成能力才可以成功制备成非晶态[3]。铸造的内在平衡使 得他只适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，铸造只 能制备一些简单几何尺寸的零件如棒材或板材[4]。

图 1. 条带、粉末、3D 打印支脚和柱面的 X-射线衍射图和热重分析曲线

最近，3D 打印技术的发展为制备尺寸复杂的大块体非晶合金提供了一个新 的方案。3D 打印技术时基于分层叠加制造思想，利用高能量激光束将金属粉末 逐层熔化并成形为金属零件，集成了先进的激光技术、计算机辅助设计与制造技 术、计算机控制技术、真空技术、粉末冶金技术等;与传统的金属成形方法(高 速切削、粉末压制、铸造、压力加工)相比，3D 打印技术制备的零件具有形状 复杂、相对密度高等优点[5-7]。

利用高能量密度的激光束将小体积粉体快速加热 至熔化状态，激光束移动熔体快速凝固，加热及冷却速率可达 103~108K/s，满足大部分非晶材料的形成要求。Pauly 等人采用波长为 1070nm，最大功率为 400W 的镱光纤激光器，高温熔化铁基非晶粉体制造出的支架结构，冷却速率一 般可以达到 103-104 K / s 的数值，从而避开 CCT 图中的结晶区域。证明了 3D 打 印技术能够制备出非晶合金部件。图一为条带、粉末、3D 打印支脚和柱面的 X- 射线衍射图及 DSC 热重曲线图。

图 2. 3D 打印过程及成品图。

图 2 为 3D 打印的过程及成品图。随后，Jung 等 人提出通过提高基底温度可以减少熔体和凝固层的温度差，避免微裂纹的产生， 并通过对 3D 打印工艺参数的优化，使得试样致密度超过 99%，保持了铁基非晶 合金优异的软磁性能. 西澳大学的 Li 等人对 3D 打印成形非晶合金的组织结构演 变和工艺优化做了较为系统的研究。研究不同扫描策略时发现，多次扫描可以使 熔体流动更为均匀，从而得到更均匀的元素分布;因此，可以通过控制工艺参数 进而控制锆基非晶相的形成、微观组织和力学性能。通过该方法成功制备出无裂 纹 Al85Ni5Y6Co2Fe2 非晶合金齿轮，如图 3 所示。

图 3. 非晶齿轮

盘星新型合金材料(常州)有限公司目前已成功制备出多种体系如铁基，钛基，锆基等非晶态金属粉末，产品粒度均匀，球形度高，含氧量低，可批量化生 产，并成功应用于 3D 打印中，所打印出的试件具有高的致密度和强度。公司具 备成熟的非晶与 3D 打印的研发与生产体系，随着更加深入的研究，有望，从根 本上建立缺陷与工艺之间的物理模型，阐明缺陷产生和工艺调控机理，成形出无 裂纹无晶化，具有高性能且形状复杂的非晶态合金。此外，非晶合金作为一种强 度、硬度及耐磨性极高的合金，作为增强相提升晶态合金性能比陶瓷相具有更好 的相容性，因此非晶增强金属基复合材料也将是一个重要的研究发展方向。

参考文献
[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] 章媛洁, et al. "3D 打印非晶合金材料工艺及性能的研究进展." 材料工 程 46.7(2018):12-18.
[6]张学军等. "3D 打印技术研究现状和关键技术." 材料工程 44.2(2016):122- 128.
[7] 王延庆, 沈竞兴, 吴海全. "3D 打印材料应用和研究现状." 航空材料学报 36.4(2016):89-98.