做大尺寸块体非晶部件,美国科学家是如何解决“舞台”难题的


      非晶合金,凭借其高强度、高弹性、高硬度以及优良的耐蚀性能,受到研究人员的广泛关注。热塑性成型和铸造是制造非晶合金的主要方法,然而,长期以来,制造尺寸较大、形状复杂的非晶合金零件仍是一项极具挑战性的任务。3D打印快速成型技术的出现和发展使得复杂结构非晶合金的制造成为可能,近年来,也成为国内外科学家研究重点方向之一。


国内外非晶3D打印研究进展

国内非晶3D打印快速发展


      我国在非晶3D打印研究领域取得了一定的研究成果。太原理工大学的干宇采用3D激光打印Zr基非晶合金,化学成分相对分布均匀,接近设计的理想组分;刘南林采用高频熔炉技术和非晶合金成型技术,通过3D打印装置将非晶合金液体扫描在导热良好的金属衬底表面固化成型;华中科技大学的柳林教授课题组通过激光选区3D打印技术成型Fe基非晶合金,采用激光在线退火以及材料复合等手段以抑制裂纹的产生;大连交通大学的吕云卓等人利用同轴送粉激光3D打印方法逐层成型Zr基非晶合金复合材料构件成型,等等。

国外非晶3D打印注重产业化


      2004年,日本田中控股株式会社在激光3D打印成型铂基非晶合金方面获得成功,属全球首创。


      2016年德国Heraeus(贺利氏)首次实现非晶态金属材料的3D打印。


      美国加州理工大学在非晶合金3D打印上取得较大进步,并已获批发明专利;密苏里科技大学的研究人员提出一种通过在基板上焊接非晶合金箔,改善基板与箔间结合效果的方法。


      和国外相比,我们的优势是技术上不断有突破进展,而我国很多技术还处于起步阶段。而国外非晶3D打印研究,注重有效性及产业化方向。


非晶3D打印优缺点及难点


      优点:突破了非晶合金尺寸限制;实现复杂非晶合金构件的制备;制造复杂非晶合金制品成本不增加;非晶合金制备周期短,制造流程简单;减少废弃副产品。


      缺点:晶化相难以避免;制造存在缺陷;成分不均匀;后续仍需额外工艺。


      技术问题是影响非晶合金3D打印的关键问题,在非晶合金3D打印领域中有许多关键问题在逐步得到解决。比如,使用增材制造技术制造非晶合金,常出现基板与非晶合金箔的结合不牢的问题。通俗地讲,“舞台”搭建不好,影响大部件非晶合金3D打印的发展。过去,这个一直是困扰着非晶3D打印的难点之一。


如何解决上述问题?


具体操作:


      以美国的密苏里科技大学的研究方法为例:


      美国科研工作者发现,如果直接使用非晶合金箔片在晶体基板上成型,会因为两者的理化性质差异而难以稳定结合。首先研究人员在基板上焊接了两层厚度为100μm的非晶合金箔,并通过激光切割将多余部分切除以获得适用于非晶合金增材制造的基板。


      接着采用了两种常见材料的作为基板,采用LM105作为非晶合金箔,分别进行焊接试验,并对基板的微观结构进行分析。



      分析发现Ti6-4作为基板时,垂直于激光扫描方向的横截面出现了明显的旋涡状图案,平行于激光扫描的横截面则出现了裂纹;而Zr702作为基板时,则不会出现此类缺陷。



      这项新式基板设计,为非晶合金的增材制造提供了更稳定的技术保障,也为更大尺寸,更复杂结构的非晶合金零件制造创造了条件。


      搭好“舞台”,非晶合金3D打印也不一定就能唱好戏。影响非晶合金3D打印技术门槛还很多,需要各国科学家协同逐一加以解决。


来源:非晶中国产业资讯综合



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