3D打印非晶合金的发展现状与存在问题

1、3D 打印非晶合金的发展现状与存在问题1 什么是非晶合金非晶合金指的是内部原子排列不存在长程有序的金属和合金，通 常也称为玻璃态合金或金属玻璃。从古至今，人类广泛使用的传统金 属材料其内部结构皆为晶态结构，在三维空间结构内原子作有序排列 其点阵结构具有周期性特点，而非晶金属材料则完全不同。当物质从 液态急速冷却时，由于时间过短，熔融态金属未及时结晶，从而保留 其液态时原子呈无序排列的凝聚状态，致使其原子处于一种长程无序 的排列状态。非晶合金作为一类新型金属材料，因具有优异的物理和 化学性能，在医疗、电子、汽车等领域具有广阔的应用前景。但由于 非晶合金难以较大体积的制取，限制了其大规模的使用。2 什么是 3D 打印3D 打印并非突然出来的新技术，这个技术起源于19世纪末的美 国，并在 20 世纪 80 年代主要存在于模具加工行业，在国内被称做 “快速成形”技术。随着时代的进步，快速成形设备已能做到小型化以 供大家放在办公桌面上使用，其操作并不比传统的纸张激光打印机复 杂，所以为了便于向普通民众推广此产品，小型化的快速成形设备被 称为“3D打印机”。虽然3D打印机目前很时髦，但此项技术实际

2、上是 “ 上上个世纪的思想，上个世纪的技术，这个世纪的市场” 。欧美国家 正在重振制造业，但这个时候老的传统制造方式已没有优势可言，而 3D 打印技术相比传统制造技术具有革命性变化，其在生产效率方面 具有明显的优势，因此3D打印技术已成为欧美国家振兴制造业的重 大突破点。英国杂志The Economist的刊文The Third Industrial Revolution提出的“第三次工业革命”的重要标志中，3D打印技术赫 然在列，其与基于互联网的商业服务模式，智能软件等其他数字化生 产模式并肩而立，推动新的工业革命的实现。3D 打印技术，是以计算机三维设计模型为蓝本，通过软件分层 离散和计算机数字控制系统，利用激光束、热熔喷嘴等方式将金属粉 末、陶瓷粉末、塑料、细胞组织等特殊材料进行逐层堆积黏结，最终 叠加成形，制造出实体产品。此外，3D打印技术体系还包括新型打 印材料、打印工艺、打印设备等等。3D 打印具有以下优势。 不增加成本，这是3D打印最明显的一项优势。对3D打印来 说，其成本不会随着制造物体的形状复杂程度而增减。 交付时间短，由于按需打印，人们需求的商品可以就近生产， 理论

3、上3D打印的产品可以做到零时间交付。 3D打印机可以直接通过设计文件获得制造方法，不需要对生 产人员进行技术培训，因此，可以用最低的劳动成本获得最大的利润， 这为3D打印技术的发展奠定了基础。 原料利用率高，利用3D打印技术制作金属零件时会产生较少 的副产品，不仅减少了成本，又降低了环境污染。 优化组装， 3D 打印机的一体化成型缩短了供应链，节省了人 力物力，同时也降低了污染。 精确度高， 3D 打印技术是通过文件打印，不容易出现误差， 精确度可以得到保证，容易进行优化。3D 打印同时也具有以下缺点。 材料单一化，虽然可应用于3D打印的材料很多，但一种3D 打印机只能打印一种材料，这也提高了打印成本。 打印价格贵，虽然网上存在许多打印机，但打印效果偏差，不 能投入生产，打印材料也偏贵，导致成品价格高，市场供应不足。 建模专业化， 3D 打印的基础是建模，建模需要专业的培训， 提高了入门成本。发展至今， 3D 打印技术主要应用于产品制造以及机械制作等领 域， 3D 打印技术替代了这些领域以往所依赖的精细加工工艺， 3D 打 印技术不仅提高了原料利用率，还大大提升了制作的效率和精密程度

4、除此之外，在机械制造与医疗、建材、军事等领域， 3D 打印技术的 发展也为其创新提供了无限的可能。3 3D 打印非晶合金的发展现状3D 打印技术通过逐层打印来构造物体，无需模具和机械加工， 只需利用计算机辅助设计技术得到结构的三维模型数据，即可在 3D 打印机上打印制作所需构件。其打印层厚可达20ym、精度高，理论 上可制造任意形状、无限尺寸的器件，有望颠覆传统制备方法。此外， 3D 打印可省去模具生产成本，明显降低原料消耗、提高生产效率， 代表了“制造业未来的趋势”，成为美、欧等发达国家战略优先发展的 方向。有鉴于此， 3D 打印也被认为可能引起第三次工业革命。 2021 年 8 月 23 日，在由中共中央政治局常委、国务院总理李克强主持的 国务院专题讲座中，总理表达了要加快发展先进制造与3D打印的意 向，并就相关问题和有关专家进行了细致的討论。放眼世界， “3D 打印”是最有希望突破非晶合金非晶形成能力限 制的新型制造技术。目前，关于 3D 打印非晶合金的探索才刚刚起步。 2021 年，德国德累斯顿研究所报道了利用选择性激光熔融快速成型 制备出 Fe74Mo4P10C75B25Si

5、2 非晶合金三维支架结构，引起了研究 人员的广泛关注。实际上， 3D 打印非晶合金是一个几乎全新的课题， 实现无尺寸限制的激光立体成形块体非晶合金需要做大量的基础研 究。SLM技术（Selective laser melting选择性激光熔化）是利用金属 粉末在激光束的热作用下完全熔化、经冷却凝固而成型的一种技术。 由于激光熔池的冷却速率通常很高，因而在当前熔覆沉积层获得非晶 态组织较为容易。在 SLM 技术的使用过程中，需要对激光功率、扫描速度、扫描 间距、铺粉厚度等参数进行调控，这些参数会影响激光熔化的质量， 也有研究人员提出与多个参数有关的物理量，其中激光比能量（比能） 应用最为广泛，公式为E=P为激光功率，D为光斑直径，V为扫描速 度。如果打印过程中比能过低，基体未熔化时粉末层就已熔化，基体 材料与熔化粉末间的界面能会随之增大，并使熔体的表面张力占优势 导致激光熔化后有不连续的球状熔层在基体表面形成，这就会使基体 和熔化层的结合强度显著降低。如果打印过程中比能过高，会在熔池 中会形成强烈的对流，受其影响，熔化层的表面会变得较不平整，进 而形成垂直于表面的裂纹，材料的力学性能随之

6、降低。4 3D 打印非晶合金存在的问题尽管 3D 打印块体非晶合金的技术已经实现，但是目前也存在着 以下几个亟需解决的问题。（1）热影响区。3D 打印块体非晶合金过程中，在激光扫过之后沉积层内会形成 同熔池紧邻的温度介于非晶合金玻璃转变点与熔点之间的区域，这被 称为热影响区。由于非晶合金存在亚稳态的性质，这就导致在3D打 印过程中在热影响区内极易发生非晶合金的晶化，进而阻碍这一技术 在制备全非晶态块体非晶合金中的应用。为避免这一问题的出现， 3D 打印过程中需有相對较快的激光扫描速率，以使材料的加热与冷却速 率提高，并降低单位时间内的能量输入，使得热影响区内非晶相的热 松弛时间显著减少。（2）组织均匀性。大部分由 3D 打印制备的非晶合金器件内部会出现孔洞类缺陷的 残留，非晶合金器件的力学性能因为孔洞类缺陷的存在会显著降低。 研究结果显示：提高激光器功率与降低扫描速率将减少缺陷的存在并 明显提高3D打印非晶合金的致密度。然而，提高激光器功率与降低 扫描速率将引起3D打印非晶合金过程中单位时间内能量输入的提高, 进而引起热影响区内非晶相热松弛时间的增长以及晶体相的生成。因 而，针对特定体

7、系的非晶合金，探索激光器功率与扫描速率等最优工 艺参数，将是利用3D打印技术制备组织均匀高致密度的全非晶态非 晶合金的重中之重。（3）残余应力。3D 打印形成的非晶合金内部存在大量的残余应力，其形成原因 是 3D 打印非晶合金在激光烧结过程中温度梯度的存在所导致。然而 非晶合金具备高强度与低塑性的特性，当过大的残余应力存在是，将 导致打印成品内部出现微裂纹，更有甚者会出现外部的开裂，这将严 重影响非晶合金的性能，影响成品率。因此，为了减少打印过程中内 应力的形成以及阻止微裂纹的产生，研究人员利用非晶合金在过冷液 相区所具有的超塑性，在每层首次高功率激光烧结完成后紧跟一次低 功率激光烧结以降低成形件内部内应力，并制备了宏观尺寸 25mmxl0mm的无裂纹AI85Ni5Y6CO2Fe2非晶合金齿轮。5 结语目前常用的解决 3D 打印成形非晶合金存在问题的方法有两类， 一是调整工艺参数，即通过不断调整激光功率、扫描速率等参数控制 缺陷产生；二是利用激光退火或基底预热等方式对非晶合金进行处理 以消除3D打印技术的制备缺陷。但前者针对性较差，尚无普遍规律， 难以完全遏止晶化和裂纹的形成；后者可明显解决裂纹类缺陷，但晶 化问题无法得到充分解决，因此只能用于解决非晶合金易开裂的问题 在长期的研究和发展过程中， 3D 打印技术克服了传统制造生产周期 长、耗材高、难以实现个性化制造等诸多不足，但其自身依然有很多 生产工艺上的缺陷，目前难以实现批量生产，在特种材料利用、特殊 工艺处理等方面的技术还很不成熟。因此，对3D打印非晶合金的技 术仍需进一步研究。

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