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不可思議的非晶態(tài)金屬3D打印,國(guó)內(nèi)居然也有

非晶態(tài)金屬(金屬玻璃)又稱非晶態(tài)合金, 它既有金屬和玻璃的優(yōu)點(diǎn), 又克服了它們各自的弊病.如玻璃易碎, 沒(méi)有延展性.金屬玻璃的強(qiáng)度高于鋼, 硬度超過(guò)高硬工具鋼, 且具有一定的韌性和剛性, 所以, 人們贊揚(yáng)金屬玻璃為“敲不碎、砸不爛”的“玻璃之王”。

非晶態(tài)金屬集眾多優(yōu)異性能于一身,如高強(qiáng)度、高硬度、耐磨以及耐腐蝕 等。這些優(yōu)異的性能使其在航空航天、汽車船舶、裝甲防護(hù)、精密儀器、電力、 能源、電子、生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域都存在廣泛的應(yīng)用前景。

大連交通大學(xué)研究非晶態(tài)金屬的制造已久,還通過(guò)采用熔體噴鑄的方法制備了板狀非晶合金Zr55Al10Ni5Cu3。讓我們一起來(lái)看他們是如何將3D打印技術(shù)用于制造非晶態(tài)金屬。 
 

 


冷卻

是關(guān)鍵的一環(huán)

 

目前通常采用的銅模鑄造法制備出的非晶態(tài)金屬的尺寸僅為厘米級(jí),嚴(yán)重地制約其工程化應(yīng)用。 另外,由于非晶態(tài)金屬存在嚴(yán)重的室溫脆性問(wèn)題,其在室溫下難以進(jìn)行機(jī)械加 工,所以難以獲得精密復(fù)雜的非晶態(tài)金屬構(gòu)件。

 

激光3D打印技術(shù)加工非晶態(tài)金屬的難點(diǎn)在于,由于基于粉末床的激光3D打印是一種逐點(diǎn)離散熔覆沉積的成型方法,其每點(diǎn)所受激光加熱面積較小,熔池的熱量可以迅速向基體擴(kuò)散;如果熔池的冷卻速率高于所打印金屬材料形成非晶態(tài)所需的臨界冷卻速率,則熔體在冷凝的過(guò)程中不發(fā)生晶化,即獲得非晶態(tài);逐層沉積則可制備具有復(fù)雜形狀、無(wú)尺寸限制的非晶態(tài)金屬構(gòu)件。 

在利用激光3D打印技術(shù)成形金屬構(gòu)件的過(guò)程中,熔池附近的熱量主要通過(guò)所制備的金屬構(gòu)件基體向外傳導(dǎo),激光熔池的冷卻速率主要取決于金屬構(gòu)件基體內(nèi)部的溫度梯度。對(duì)于成型需要較高冷卻速率的非晶態(tài)金屬構(gòu)件,較低的基體溫度梯度會(huì)使熔池的熱量無(wú)法快速擴(kuò)散出去,導(dǎo)致熔池在冷凝的過(guò)程中發(fā)生 晶化,導(dǎo)致無(wú)法獲得全非晶態(tài)的金屬構(gòu)件,降低金屬構(gòu)件的性能。大連交通大學(xué)通過(guò)提高熔池的冷卻速率,來(lái)達(dá)到激光3D打印成形非晶態(tài)金屬構(gòu)件的目的。

 

大連理工大學(xué)通過(guò)真空操作環(huán)境中主要利用將工作臺(tái)外側(cè)設(shè)置冷卻液工作池,保證所制備的金屬構(gòu)件始終處于較低溫度,提高金屬構(gòu)件熔池附近的溫度梯度,從而快速高效地?cái)U(kuò)散掉金屬構(gòu)件熔池附近熱量,進(jìn)而避免晶化的發(fā)生。

 

粉末床工作臺(tái)安裝在冷卻液工作池內(nèi),工作臺(tái)外周環(huán)繞有多層循環(huán)冷卻水管,循環(huán)冷卻水管的主體置于所述冷卻液工作池內(nèi),循環(huán)冷卻水管的進(jìn)、出水管穿過(guò)所述冷卻液工作池并置于真空手套箱外。

 

在打印過(guò)程中,激光3D打印成形的金屬構(gòu)件始終浸泡于冷卻液中, 冷卻液的液面低于激光打印層面且保持在預(yù)設(shè)的高度,冷卻液的液面上升速率與激光3D成形金屬構(gòu)件的堆積速率相等。從而保證激光熔池的熱量可以高效快速地通過(guò)金屬構(gòu)件基體和冷卻液輸送掉。 


通過(guò)調(diào)節(jié)冷卻液流量控制閥,控制冷卻液液面上升速度,使冷卻液液面始終低于激光打印層面一定距離,保證金屬構(gòu)件熔池的熱量可以快速地經(jīng)金屬構(gòu)件基體流向冷卻液;循環(huán)冷卻水管環(huán)繞工作臺(tái)多層并置于冷卻液工作池內(nèi),可以及時(shí)帶走冷卻液熱量,降低冷卻液溫度。

 

目前大連交通大學(xué)這項(xiàng)技術(shù)的可行性與商業(yè)前景如何還有待后續(xù)跟蹤。歐盟的增材制造路線圖中通過(guò)3D 打印制備非晶態(tài)金屬也屬于歐盟支持的路線圖中的一個(gè)方向,關(guān)于國(guó)際上在這一領(lǐng)域取得了哪些進(jìn)展,有哪些公司在進(jìn)行探索與研究,3D科學(xué)谷將保持持續(xù)研究與跟蹤。

 

本文參考專利:

CN105081321A:激光3D打印成形非晶態(tài)金屬構(gòu)件冷卻系統(tǒng)及其冷卻方法

US20160067387:Amorphous Silicon Oxide, Amorphous Silicon Oxynitride, and Amorphous Silicon Nitride Thin Films and Uses Thereof

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