块状贵金属玻璃3D打印或将改变珠宝制造，洛桑和苏黎世联合《AM》

导读：瑞士洛桑联邦理工学院（EPFL）和苏黎世联邦理工学院（ETH）的研究人员合作进行了一项研究，通过增材制造生产了一种钯合金（PdCuNiP），这是一种高密度非晶、无裂纹的块状金属玻璃(BMG)。结果表明，这种材料在手表和珠宝增材制造具有重要前景。

△(a)粉末的XRD图，(b) 粉末的SEM图像，以及c) 粉末颗粒横截面的SEM图像，粉末颗粒内部存在孔隙。

块状金属玻璃，通常称为BMG（或玻璃态金属），是一种非晶固体材料。它们的高强度和硬度，加上惊人的弹性，使它们成为工业创新的理想选择。因此，3D打印金属玻璃或可成为军事领域的重要材料。另外，它们还可以在某些领域中替代传统工程材料，包括电子产品、运动设备和珠宝。

△以600 毫米/秒（左）和 1000 毫米/秒（右）扫描速度的单个激光轨迹的激光共聚焦显微镜(LCM) 图像。扫描方向是从右到左。

研究人员利用激光粉末床融合（LPBF）技术，制造了密度为99.6%的Pd43Cu27Ni10P20块状金属玻璃（BMG）部件，并对部件进行了表征，详细研究了样品的微观结构和机械性能，以及无定型粉末颗粒的结晶动力学。经过测试，这些零件展现了优异的机械性能，如高硬度和抗压强度，并克服了通常在珠宝和制表中贵金属的局限性。此外，打印件无需任何后处理，可直接获得镜面般光滑和光亮的表面，这对于零件表面光洁度或美学有着很重要的作用。

△不同加工参数制造的样品（顶视图，XY）。太高的VED导致不规则形状和波浪形表面（见白色箭头），太低的VED不能完全熔化并固结粉末（见黑色箭头）。

实验通过激光共聚焦显微镜（LCM）研究了主要加工参数，如激光功率和激光扫描速度，对单轨道形状的影响。研究人员使用不同参数测试了12个样本，并最终确定了最优打印参数：功率60瓦，扫描速度600mm/s，孵化距离150μm，层厚40μm和能量密度4.7J/mm3。

△寻找优化条件的工艺参数。

在单轨实验之后，研究人员还通过光学显微镜（OM）、扫描电子显微镜（SEM）、X射线衍射（XRD）、显微计算机断层扫描（μ-CT）、压缩测试和显微硬度对高度无定型3D打印样品进行表征。团队还利用快速差示扫描量热法（FDSC）研究粉末合金的结晶动力学。

△实验流程

据称，研究的所有实验均使用少于70g的粉末制造样品，最大限度减少时间、材料和成本。测试结果表明，这种材料能够有效生产具有优异机械性能的贵金属零件，例如高硬度和抗压强度。同时，团队还发现，Pd基BMG具有良好的玻璃形成能力 (GFA)，但使用LPBF制造零部件可以通过减少杂质的引入避免结晶。

参考文献：Sohrabi, N., Jhabvala, J.,Kurtuldu, G., Frison, R., Parrilli, A., Stoica, M., Neels, A., Löffler, J. F.,& Logé, R. E. (2021). Additive manufacturing of a precious bulk metallicglass. Applied Materials Today, 24, 101080.https://doi.org/10.1016/j.apmt.2021.101080

文献地址：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2352940721001451#fig0018