大連交通大學(xué)激光3D打印大尺寸Zr基非晶合金最近，大連交通大學(xué)的呂云卓副教授等人與哈爾濱工業(yè)大學(xué)和英國(guó)伯明翰大學(xué)的研究人員合作，利用同軸送粉激光3D打印技術(shù)，通過(guò)有限元模擬的方法優(yōu)化最佳工藝參數(shù)，成功制備出非晶含量超過(guò)90％的大尺寸Zr基非晶合金。更為重要的是，成型的非晶合金沿著打印方向具有梯度結(jié)構(gòu)，這為非晶合金作為梯度材料在功能領(lǐng)域的應(yīng)用提供可能，擴(kuò)大了非晶合金的使用范圍。研究發(fā)現(xiàn)，該非晶合金的梯度結(jié)構(gòu)是由于在同軸送粉激光3D打印過(guò)程中不同打印層所經(jīng)歷的不同熱歷史所引起的不同程度的晶化導(dǎo)致。
圖1激光3D打印Zr基非晶合金的材料及裝置示意圖  圖2有限元模擬激光3D打印Zr基非晶合金參數(shù)優(yōu)化  圖3激光3D打印Zr基非晶合金的宏觀形貌及微觀梯度結(jié)構(gòu) 我們知道，非晶合金由于其原子排列長(zhǎng)程無(wú)序、短程有序的特點(diǎn)，其在物理、化學(xué)以及力學(xué)性能上都呈現(xiàn)出一系列傳統(tǒng)晶體合金所不具備的優(yōu)異特性，這使其在軌道交通、航空航天、汽車(chē)船舶、裝甲防護(hù)、精密儀器等領(lǐng)域都存在廣泛的應(yīng)用前景。然而，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。 圖4非晶合金的優(yōu)異性能 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)。  圖5激光3D打印技術(shù)制備非晶合金的優(yōu)勢(shì) 上述3所高校研究人員利用同軸送粉激光3D打印技術(shù)，通過(guò)有限元模擬的方法優(yōu)化最佳工藝參數(shù)，成功制備出大尺寸、非晶含量較高、且具有梯度結(jié)構(gòu)的Zr基非晶合金。本研究成果不僅提供了一種制備大尺寸具有復(fù)雜形狀的非晶合金的新方法，也為促進(jìn)高性能非晶合金在工程和功能領(lǐng)域的大規(guī)模應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。（該研究結(jié)果得到了國(guó)家自然科學(xué)基金（51671042， 51671043，51401041）、遼寧省教育廳重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室基礎(chǔ)研究項(xiàng)目（LZ2015011）的資助。） 火遍全球的3D打印未來(lái)將在非晶產(chǎn)業(yè)化領(lǐng)域成為一個(gè)熱點(diǎn)，國(guó)內(nèi)外已有多家科研單位展開(kāi)了相關(guān)研究工作。非晶中國(guó)大數(shù)據(jù)庫(kù)信息顯示：今年4月初，來(lái)自美國(guó)北卡羅萊納州立大學(xué)的研究員公布他們研究成果，使用3D打印的鐵基非晶金屬合金，能夠用來(lái)制造更高效的電動(dòng)機(jī)和其他設(shè)備。研究員生產(chǎn)的鐵合金比其關(guān)鍵鑄件厚度大15倍。無(wú)定形金屬，同時(shí)也被稱為金屬玻璃，它是具有無(wú)序原子尺度結(jié)構(gòu)的固體金屬材料。它們?cè)诠虘B(tài)下是非晶態(tài)的，并具有良好的導(dǎo)電性，讓它們能用在高壓電的變壓器上。一些研究員研究了使用非晶態(tài)金屬作為人體植入物的生物材料。
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