非晶3D打印——3D打印體系中最為前沿和最有潛力的技術

金屬零件3D打印技術作為整個3D打印體系中最為前沿和最有潛力的技術，是先進制造技術的重要發(fā)展方向。雖然現(xiàn)在金屬3D打印很熱，有很多企業(yè)和政府也紛紛上馬或推廣金屬3D打印項目，但真正用金屬3D打印做出產(chǎn)品的較少。這里面關鍵問題還是技術問題，打印速度和精度、打印精度和強度等相互矛盾的技術指標困擾著制造商和最終用戶，當然還有操作專業(yè)性強、原材料昂貴等問題，最終讓他們保持觀望態(tài)度。在現(xiàn)階段技術條件下，發(fā)展金屬3D打印的智能化和增減復合技術是有效地解決目前存在弊端的關鍵，是未來金屬3D打印的重要發(fā)展方向。

為什么會盯著非晶3D打�。�
處于亞穩(wěn)態(tài)的非晶合金需要在較快的冷卻速率下才能獲得，而目前通常采用的銅模鑄造法只能制備出臨界尺寸較小的非晶合金。另外，由于塊體非晶合金存在嚴重的室溫脆性問題，其在室溫下難以進行機械加工。復雜形狀構件的模具無法或很難加工制造，導致難以獲得精密復雜的非晶合金構件，這成為制約非晶合金應用的另一個瓶頸。因此，如何突破非晶合金臨界的尺寸限制和復雜構件的制備加工是擴展其在相關領域應用的關鍵。

近年來，激光3D打印技術的迅猛發(fā)展為解決上述難題提供了契機。激光3D打印技術屬于快速成形技術的一種，與傳統(tǒng)的切削等機械加工技術不同，激光3D打印技術是一種以數(shù)字模型文件為基礎的“增材制造”技術，是一種具有“變革性”意義的數(shù)字化、短周期、低成本的先進制造技術。由于激光3D打印技術是一種逐點離散熔覆沉積的成型方法，其每點的所受激光加熱面積較小，熔池的熱量可以迅速向基體擴散，使得激光熔池的冷卻速率遠大于非晶合金的臨界冷卻速率，使得熔池在冷凝的過程中可以避免發(fā)生晶化，進而獲得非晶態(tài)，這為無尺寸限制地制備非晶合金提供可能。另外，激光3D打印是以金屬粉末為原材料，通過高能激光束對金屬粉末逐層熔化堆積，直接由數(shù)字模型一步完成全致密、高性能、復雜金屬零件的“近終成形”制造，這為制備復雜的非晶合金構提供理想的手段。

因此，針對目前非晶合金所面臨的尺寸較小和難以制備加工復雜構件的問題，激光3D打印技術是最有可能解決上述問題，并實現(xiàn)非晶合金大規(guī)模應用的技術。

國內(nèi)外進展：
1）我國非晶3D打印研究有進展
我國在非晶3D打印研究較早，且取得一定成果。西北工業(yè)大學的楊高林等人采用預置粉末的方式激光3D打印Zr基非晶合金，研究發(fā)現(xiàn)，制備的7層小尺寸Zr基非晶合金中非晶相的含量可以達到92% (體積比)。太原理工大學的干宇采用預置粉末的方式激光3D打印Zr基非晶合金，在非晶合金的中上部，化學成分相對分布均勻，接近設計的理想組分。華中科技大學的柳林教授課題組采用激光選區(qū)激光3D打印技術成型Fe基非晶合金，他們采用激光在線退火以及材料復合等手段抑制裂紋的產(chǎn)生。大連交通大學的呂云卓等人采用同軸送粉激光3D打印技術成型Zr基非晶合金，他們采用打印非晶合金復合材料的方法抑制裂紋。

2）美國非晶3D打印即將走向商業(yè)化
美國俄亥俄州立大學從2008年就開始研究非晶合金的激光3D打印技術，并已經(jīng)在Cu基和Zr基非晶合金的3D打印上取得進展。日前，美國加州理工大學在非晶合金3D打印上取得較大進步，并已獲批發(fā)明專利，其制造非晶態(tài)金屬的方法為是將第一層金屬合金表面高溫熔融，迅速冷卻這層熔融金屬合金，凝固形成非晶態(tài)金屬的第一層；然后在此基礎上進行下一層的加工。在這個過程中使用的是“噴涂技術”應用至每一層，包括等離子噴涂、電弧噴涂等方法�！皣娡考夹g”可以使用的原材料包括：金屬絲和金屬粉末。隨著加州理工大學的此項專利獲批，該技術正式進入商業(yè)化階段。

3）日本非晶3D打印有銷售目標
2004年，日本田中控股株式會社，開發(fā)了用于3D打印的鉑基非晶合金的粉末，并在激光3D打印成型鉑基非晶合金方面方面獲得成功，屬全球首創(chuàng)。同時，田中貴金屬工業(yè)也開發(fā)出分別添加鉑、銥的鎳基合金鉑族金屬粉末材料，并在造型產(chǎn)品的制作方面取得成功。另外，田中貴金屬工業(yè)通過與日本大阪府立產(chǎn)業(yè)技術綜合研究所合作研究，探明與粉末材質(zhì)及形狀相適應的激光能量照射條件，從而在分別添加鉑、鉑基非晶合金的造型產(chǎn)品制作方面取得了成功。田中貴金屬工業(yè)將提供3D打印機用鉑族金屬粉末材料，并制定了在2020年度達成每年4億日元的銷售目標。

4）瑞典非晶3D打印擁有專門設備
瑞典科技創(chuàng)業(yè)公司Exmet是從2016年起與德國材料巨頭賀利氏合作研發(fā)非晶態(tài)金屬3D打印技術，與加州理工大學所使用的DED技術不同的是，Exmet在工廠中配備了一臺EOS M 290 金屬3D打印機，用于制造高性能的非晶態(tài)金屬零部件。


5）澳大利亞非晶3D打印受困于晶化
澳大利亞西澳大學利用選區(qū)熔化激光3D打印技術制備Al基非晶合金，研究發(fā)現(xiàn)，盡管使用合適的工藝參數(shù)可以獲得具有較高致密度和較好力學性能的Al基非晶合金，和中國部分科研工作一樣，在具體工作中無法避免晶化的發(fā)生。

6）德國非晶3D打印出鐵基零部件
德國科學家利用激光選區(qū)熔化方法成功實現(xiàn)具有復雜形狀的Fe基非晶合金的激光3D打印，但是所制備的非晶合金在成型零件的拐角處以及形狀較為復雜的部位仍然發(fā)現(xiàn)晶化。

非晶3D打印技術優(yōu)缺點及國內(nèi)外研究著力點

非晶3D打印技術和非晶合金材料性質(zhì)有相似：優(yōu)點突出，缺點也十分明顯。優(yōu)點：突破非晶合金尺寸限制；實現(xiàn)復雜非晶合金構件制備；制造復雜非晶合金制品不增加成本；制備非晶合金周期短，制造流程簡單；減少廢棄副產(chǎn)品。缺點：晶化相難以避免；存在缺陷；成分不均勻；后續(xù)仍需額外工藝。

今年來，《非晶中國產(chǎn)業(yè)資訊》走訪或者以交流形式對接以色列、日本等國，以及國內(nèi)的深圳、上海、北京、西安等地，就非晶3D打印技術進行專項調(diào)研。和國外相比，我國此項技術研發(fā)起步較早，有一定技術積累。我們優(yōu)勢是，從事團隊較多，技術不斷有進展。不足的是，我國很多技術還處于起步階段，部分研究或多或少有跟隨或者跟風式模仿。國外非晶3D打印研究，更加注重有效性，注重產(chǎn)業(yè)化方向。我們發(fā)現(xiàn)，除了有科研人員參與外，更多的3D打印企業(yè)工程技術人員加入，是一個跨學科、跨部門、跨人員工作性質(zhì)的團隊在做這項工作。

非晶3D打印未來趨勢
將3D打印技術應用于塊體非晶合金的制備，是突破非晶合金臨界的尺寸限制和實現(xiàn)復雜非晶合金構件制備的可行方法，有可能是非晶產(chǎn)業(yè)下一個“雄安”。然而目前利用3D打印技術制備非晶合金的致命問題是成型的非晶合金內(nèi)部存在裂紋以及孔洞等缺陷，這對于受力器件很難利用。非晶基復合材料可以改善非晶合金的一些性能缺陷，尤其是可以提高非晶合金的室溫塑性，近年來已經(jīng)成為非晶合金研究領域的熱點。因此，未來利用3D打印技術成型非晶基復合材料是實現(xiàn)其實用化的突破口之一。

來源：非晶中國
延伸閱讀：
SmarTech報告：金屬3D打印的歷史機遇與挑戰(zhàn)