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將3D打印技術(shù)應(yīng)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(shí)現(xiàn)復(fù)雜非晶合金構(gòu)件制備的可行方法，有可能是非晶產(chǎn)業(yè)的下一個(gè)“雄安”。利用3D打印技術(shù)成型非晶基復(fù)合材料是實(shí)現(xiàn)其實(shí)用化的突破口之一。
3D打印：非晶基復(fù)合材料實(shí)用化的突破口
金屬零件3D打印技術(shù)作為整個(gè)3D打印體系中最為前沿和最有潛力的技術(shù)，是先進(jìn)制造技術(shù)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(xiàng)目，但真正用金屬3D打印做出產(chǎn)品的較少。這里面關(guān)鍵問(wèn)題還是技術(shù)問(wèn)題，打印速度和精度、打印精度和強(qiáng)度等相互矛盾的技術(shù)指標(biāo)困擾著制造商和最終用戶(hù)，當(dāng)然還有操作專(zhuān)業(yè)性強(qiáng)、原材料昂貴等問(wèn)題，最終讓他們保持觀(guān)望態(tài)度。在現(xiàn)階段技術(shù)條件下，發(fā)展金屬3D打印的智能化和增減復(fù)合技術(shù)是有效地解決目前存在弊端的關(guān)鍵，是未來(lái)金屬3D打印的重要發(fā)展方向。
為什么會(huì)盯著非晶3D打印？
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(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。復(fù)雜形狀構(gòu)件的模具無(wú)法或很難加工制造，導(dǎo)致難以獲得精密復(fù)雜的非晶合金構(gòu)件，這成為制約非晶合金應(yīng)用的另一個(gè)瓶頸。因此，如何突破非晶合金臨界的尺寸限制和復(fù)雜構(gòu)件的制備加工是擴(kuò)展其在相關(guān)領(lǐng)域應(yīng)用的關(guān)鍵。
近年來(lái)，激光3D打印技術(shù)的迅猛發(fā)展為解決上述難題提供了契機(jī)。激光3D打印技術(shù)屬于快速成形技術(shù)的一種，與傳統(tǒng)的切削等機(jī)械加工技術(shù)不同，激光3D打印技術(shù)是一種以數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)的“增材制造”技術(shù)，是一種具有“變革性”意義的數(shù)字化、短周期、低成本的先進(jìn)制造技術(shù)。由于激光3D打印技術(shù)是一種逐點(diǎn)離散熔覆沉積的成型方法，其每點(diǎn)的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，使得激光熔池的冷卻速率遠(yuǎn)大于非晶合金的臨界冷卻速率，使得熔池在冷凝的過(guò)程中可以避免發(fā)生晶化，進(jìn)而獲得非晶態(tài)，這為無(wú)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(guò)高能激光束對(duì)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(fù)雜金屬零件的“近終成形”制造，這為制備復(fù)雜的非晶合金構(gòu)提供理想的手段。
因此，針對(duì)目前非晶合金所面臨的尺寸較小和難以制備加工復(fù)雜構(gòu)件的問(wèn)題，激光3D打印技術(shù)是最有可能解決上述問(wèn)題，并實(shí)現(xiàn)非晶合金大規(guī)模應(yīng)用的技術(shù)。
國(guó)內(nèi)外進(jìn)展：
(1)我國(guó)非晶3D打印研究有進(jìn)展
我國(guó)在非晶3D打印研究較早，且取得一定成果。西北工業(yè)大學(xué)的楊高林等人采用預(yù)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(dá)到92%(體積比)。太原理工大學(xué)的干宇采用預(yù)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(xué)成分相對(duì)分布均勻，接近設(shè)計(jì)的理想組分。華中科技大學(xué)的柳林教授課題組采用激光選區(qū)激光3D打印技術(shù)成型Fe基非晶合金，他們采用激光在線(xiàn)退火以及材料復(fù)合等手段抑制裂紋的產(chǎn)生。大連交通大學(xué)的呂云卓等人采用同軸送粉激光3D打印技術(shù)成型Zr基非晶合金，他們采用打印非晶合金復(fù)合材料的方法抑制裂紋。
(2)美國(guó)非晶3D打印即將走向商業(yè)化
美國(guó)俄亥俄州立大學(xué)從2008年就開(kāi)始研究非晶合金的激光3D打印技術(shù)，并已經(jīng)在Cu基和Zr基非晶合金的3D打印上取得進(jìn)展。日前，美國(guó)加州理工大學(xué)在非晶合金3D打印上取得較大進(jìn)步，并已獲批發(fā)明專(zhuān)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(chǔ)上進(jìn)行下一層的加工。在這個(gè)過(guò)程中使用的是“噴涂技術(shù)”應(yīng)用至每一層，包括等離子噴涂、電弧噴涂等方法。“噴涂技術(shù)”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(xué)的此項(xiàng)專(zhuān)利獲批，該技術(shù)正式進(jìn)入商業(yè)化階段。
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