利用激光增材制造技术在太空中制造金属玻璃

来源： 高能束加工技术

德国航空航天中心空间材料物理研究所Christian Neumann教授和他的团队在NPJ Microgravity国际杂志上发表文章Additive manufacturing of metallic glass from powder in space。

金属玻璃(BMG)和激光粉床熔融(PBF-LB)都具有在空间应用的特性。然而，它们在这一领域的结合鲜有研究。为了结合这两个主题，在独立于重力环境的粉末工艺中制造大块金属玻璃零件。探空火箭在可用性、成本和微重力时间之间提供了一个很好的折衷，因此，在系统符合微重力抛物线飞行应用条件后，选择探空火箭作为实验环境。这项工作的发现表明，在微重力环境下，使用粉末原料制造零件是可能的，粉末原料比金属丝更紧凑，更容易运输到太空中。因此，这大大推进了原位资源利用(ISRU)和空间制造(ISM)，并为未来在长时间微重力环境下的测试铺平了道路。
Laser & Electron Beam Processing

论文概述
BMG是一种相对较新的材料，可以追溯到20世纪60年代初。根据不同的成分，它们具有吸引人的性能，如优异的耐腐蚀性，良好的机械性能，低摩擦系数。尽管BMG具有优势的性能，并且在过去的几十年里取得了巨大的进步，但使用BMG作为结构部件和工具的最大障碍是制造部件的尺寸。由于在铸造过程中增加厚度时冷却速度下降和结晶性增加，厚度通常限制在几毫米到几厘米。为了将空间探索推进到低地球轨道以外的长期任务，开发和采用ISM和ISRU技术将是至关重要的。为了在这些努力中利用基于激光的粉末床融合的优势，必须满足在微重力下处理粉末的挑战。在几次探空火箭飞行中，建造了通过增材制造模拟在太空中生产的Zr基金属玻璃。通过一层一层地构建玻璃层，绕过这些尺寸限制，并且可以形成比铸造更厚的非晶态部件。
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图文解析
建造过程发生在一个插入物中：一个易于拆卸的墨盒(如图1所示)，可以通过一个舱口进入，舱口包括粉末容器、Z轴和E轴驱动器以及建造平台。这样，当设备在起飞前处于飞行配置时，构建平台或粉末，甚至整个墨盒可以很容易地交换。当粉末作为粉末床的一部分时，它必须在失重状态下保持稳定，同时又要有足够的流动性，以便在粉末床上涂抹新的粉末层。

图1.墨盒所在的构建平台和粉末容器。

采用抛物线状飞行，选用粒度为20-53µm的1.4404不锈钢粉末和粒度为45-100µm的Zr基金属玻璃AMZ4。使用不同范围的激光速度(1000 - 5500 mm min -1)和激光功率(55 - 230 W)的参数值来构建。沿Y轴方向增加激光功率，沿X轴方向增加激光扫描速度，在搭建平台上形成二维分段网格，如图2所示。通常情况下，在第一次测试构建的末端部分是明显有缺陷的，可以在下一个构建中排除：过高的能量输入(较高的功率和较低的速度，见图2右下角)，或者在能量输入不足(较低的功率和较高的速度，见图2左上角)时，表面非常粗糙，可见未完全熔化的粉末。

图2.不同参数的AMZ4线段示例。

这种方法采用的是如图3所示的“A + B”扫描策略。这种策略包括两个不同的层A和B，它们几乎相同，但移位了一半舱口距离，并且在激光方向上相反，激光沿着垂直于代表平面的轴移动(A：朝向读者，B：远离他们)。这种策略可以在构建致密部件时减少孔隙度和孔洞。

图3.分段“A + B”扫描策略示意图。

在这样的扫描策略下，金属玻璃有很高致密度的，需要进行对晶体更仔细的检查。不同的激光功率和扫描速度产生不同的晶体分数。SEM结果如图4所示。样品显示结晶区域(图4中暗区)是跨界区域。在图4(a)中，这些区域周期性地出现，而在图4(b)中的存在似乎更加混乱。在样品的边缘附近，边界处有特别明显的结晶区。

图4.扫描电镜照片。

飞行样品(M10-µg，激光功率为75 W，扫描速度为4000 mm min -1)与实验室样品(M10-lab，相同参数)的对比结果如图5所示，为两条典型的衍射图曲线。来自构建平台的信号显示为峰值识别。建造平台上的钢材很容易被发现，样品部分呈结晶状。

图5.M10-µg样品与同步加速器中M10-lab样品。

与M10样品具有相同参数的AMZ4片段具有如图6所示的较低的结晶分数，其中与M10-µg相比，该部分足够大，可以把建造平台移除，因此不会出现钢的峰。

图6.M10µg样品与同步加速器中分段实验室样品和铸造样品的对比。

总结
AMZ4样品在实验中并非是完全无定形。对于AMZ4来说，这至少可以部分解释为在工业PBF-LB过程中，扫描速度通常比使用MARS-M要高得多，这将导致最终产品中非晶材料的比例更高。这是由于不同的设计标准和优化目标导致的。虽然在工业过程中，速度是一个高度加权的因素，但对于火箭有效载荷来说，紧凑性和稳健性是必不可少的。然而，采用较多层数的地面实验表明，样品的很大一部分是非晶态的。结晶区位于层间区，有待进一步研究。然而，在探空火箭上成功地用AMZ4粉末制造了金属玻璃样品。这扩展了微重力下粉末处理气体流动概念的有效性。下一步是在轨道平台上运行这个过程，以获得更多的微重力时