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》

3D打印资讯
2021
06/08
10:44
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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。

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△(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。

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△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。

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△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。

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△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。

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△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


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