復合材料激光粉末床熔合 (LPBF)打印金屬玻璃，保持玻璃的非晶態(tài)、非晶體結構！

金屬玻璃（MG）或非晶金屬是具有無序原子結構的材料，與傳統(tǒng)金屬中的有序晶格不同，這種獨特的結構為它們提供了卓越的強度、硬度、彈性和耐腐蝕性。這些特性使得它們適用于從電子到航空航天的各種應用。增材制造 (AM)特別適合使用金屬玻璃等材料，因為它能夠快速冷卻熔融材料，這對于保持玻璃的非晶態(tài)、非晶體結構至關重要，同時還可以精確制造復雜的形狀和幾何形狀，使用傳統(tǒng)制造方法通常很難實現(xiàn)這一點。




Lukasz Zrodowski 是金屬增材制造領域的先驅發(fā)明家，專門研究 MG 打印、超聲波霧化技術和自動支撐去除技術。目前，他在其公司AMAZEMET和華沙理工大學領導著一支由約 17 名工程師和研究人員組成的充滿活力的團隊。2023年11月，Lukasz分享了他在金屬玻璃及其復合材料激光粉末床熔合 (LPBF) 以及增材制造 (DfAM) 材料特定設計方面的開創(chuàng)性工作的見解。


△Lukasz Zrodowski

研究概述
Lukasz的團隊最近在MG及其復合材料的LPBF方面的工作引起了科學界的關注，特別是在材料科學和制造領域。Lukasz表示他們的研究主要集中在將 LPBF 應用于 MG 及其復合材料。金屬玻璃于 20 世紀 60 年代被發(fā)現(xiàn)，以其獨特的軟磁特性而聞名。然而，由于延展性差和制造工藝復雜等挑戰(zhàn)，它們作為結構材料的潛力受到一定限制。

在研究中，Lukasz引入了一種使用 LPBF 工藝生產(chǎn)高度取向的晶體非晶復合材料的策略：
●通過對 AMZ4（由 Ralf Busch 教授設計）和等原子 CuZr 等特定非晶合金采用新穎的兩階段熔化方法和超高壓熱等靜壓 (HIP)。

●通過 AMAZEMET 的超聲波霧化技術進行霧化，取得了顯著的成果。

●通過調整激光參數(shù)，可以生產(chǎn)完全由非晶材料制成的零件。

●此外，可以基于層壓非晶態(tài)結構創(chuàng)建具有特定幾何結構微觀結構設計的復合材料。

Lukasz的研究為非平衡相分布設計開辟了新的可能性，為采用 LPBF 和其他粉末床熔融技術設計零件的微觀結構提供了潛力。研究人員相信這種方法可以徹底改變產(chǎn)品設計和制造，特別是在大塊金屬玻璃領域，預計未來該領域的商業(yè)化將會增加。

挑戰(zhàn)與機遇
LPBF是一種增材制造技術，有可能徹底改變產(chǎn)品設計和制造， Lukasz研究團隊還將DfAM的概念應用于MG及其復合材料。MG 一直表現(xiàn)出有前景的機械和化學特性。然而，由于延展性差和傳統(tǒng)制造工藝復雜等固有挑戰(zhàn)，它們作為結構材料的應用受到限制。例如，MG 的注塑需要高純度的原料和昂貴的模具。此外，雖然已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了許多MG組合物，但只有少數(shù)組合物具有玻璃形成能力、韌性和可加工性的理想組合，從而在經(jīng)濟上可行。

通過 LPBF，研究成功克服了 MG 的一些傳統(tǒng)制造挑戰(zhàn)，包括機械加工性差和鑄件直徑限制。然而，LPBF 在處理 MG 時也提出了自己的挑戰(zhàn)。由于 MG 的亞穩(wěn)態(tài)性質，優(yōu)化 LPBF 通常需要平衡孔隙率的控制與晶相含量。LPBF 工藝中的高能量密度可以降低孔隙率，但也可能加速熱影響區(qū) (HAZ) 的失透，通常被認為是材料缺陷。

Lukasz的方法受 DfAM 原理的影響，使用兩階段熔化策略。該方法將激光和粉末之間的相互作用與最終致密化和微觀結構設計階段分開。因此可以生產(chǎn)幾乎致密的 MG 及其復合材料，同時避免過多的熱量積累。該技術不僅解決了傳統(tǒng) MG 制造的挑戰(zhàn)，還為各行業(yè)的創(chuàng)新 MG 應用打開了大門。


△LPBF過程中金屬玻璃結晶的控制過程

研究材料
Lukas的研究主要集中在塊狀金屬玻璃 (BMG) 研究中的基準合金 AMZ4 (Zr59.3Cu28.8Al10.4Nb1.5)，由 Ralf Busch 開發(fā)。2017 年，AMZ4 是為數(shù)不多的球形粉末形式的玻璃形成合金之一。作為概念驗證，研究人員將打印策略應用于通過超聲波霧化霧化的等原子 CuZr 非晶合金。然而，這些合金最初并不是為 LPBF 開發(fā)的，需要對專為 LPBF 設計的具有特定 MG 成分的合金進行進一步研究。

AMAZEMET 開發(fā)的超聲波霧化器（rePOWDER）將加速新型、有前途的合金的開發(fā)，例如最近霧化的 Ti-S BMG。杜伊斯堡埃森大學的研究人員展示了這些合金在形成致密和非晶部件方面的潛力，標志著該領域向前邁出了重要一步。


△金屬玻璃組件

未來發(fā)展
使用我們的方法通過 LPBF 打印 MG 需要復雜的 LPBF 掃描策略，可能超出某些標準工業(yè)軟件的功能。可以通過一些軟件技巧手動實現(xiàn)對簡單幾何形狀的這些策略。然而，復雜的幾何形狀需要開發(fā)自動激光掃描策略，特別是對于復合材料。為了促進這一過程并促進該技術的產(chǎn)業(yè)化，需要新的LPBF模型。這些模型應考慮非平衡相變和非晶相結晶。

在 MG 打印中，有效管理材料的熱量輸入至關重要。因此，主動過程控制（例如與合適軟件集成的熱感相機或高溫計）被引入打印機。這些控制可以為當前使用 MG 打印復雜形狀所面臨的挑戰(zhàn)提供解決方案，例如由于熱量積聚導致的局部失透或應力集中引起的開裂。


△金屬玻璃齒輪

實驗步驟

●材料選擇：最初，使用 AMZ4 合金，因為它具有商業(yè)可用性、優(yōu)異的玻璃形成能力和其他有利的特性。

●激光熔化使用 Realizer SLM 50 機器來加工材料。LPBF 工藝的優(yōu)化分為三個階段：在散裝材料和粉末中創(chuàng)建單軌、掃描策略的驗證以及激光參數(shù)的微調。

●后處理：在激光熔化工藝之后，使用熱等靜壓 (HIP) 實現(xiàn)了最終致密化。

●熱分析：采用差示掃描量熱法(DSC)來量化玻璃相含量。

●微觀結構表征：使用光學顯微鏡進行初步表征；利用電子顯微鏡（包括 SEM 和 STEM）來識別樣品中的微晶；進行顯微 CT 檢查以詳細評估樣品的內部孔隙率。

●機械測試：對樣本進行了 4 點彎曲測試，以評估其機械性能。還使用銷盤測試來評估耐磨性。

●納米壓痕：用于繪制復合材料樣品的硬度和彈性模量。

●在 CuZr 材料上的應用：作為概念驗證，相同的打印策略也適用于 CuZr 材料。

與此同時，將打印 MG 復合材料的專利商業(yè)化，隨后成立了一家制造超聲波霧化器的公司，該公司現(xiàn)在擁​​有 60 多名員工。

應用領域
當前使用 LPBF 打印的 MG 合金的局限性（例如結晶相的高脆性）抑制了使用 DfAM 設計具有優(yōu)化形狀和微觀結構的復合材料零件的全部潛力。當專用合金被開發(fā)出來時，新的應用將會出現(xiàn)：

●例如具有材料特性的植入物，例如通過形狀（晶格結構）和微觀結構在單個零件上定制的剛度。

●電動機的轉子，其中非晶相和晶相的不同矯頑力可以實現(xiàn)更高效的轉子設計。

具有復合微觀結構的 DfAM 概念可以與其他非玻璃形成合金一起進一步探索，其中原位局部熱處理的概念可以增加另一個維度——增材制造的微觀結構設計。

Lukasz Zrodowski 及其 AMAZEMET 團隊與華沙理工大學合作的工作代表了 AM 和 MG 領域的重大飛躍。他們創(chuàng)新地利用 LPBF 來制造高度取向的晶體非晶復合材料，展示了徹底改變材料科學和制造的潛力。通過解決與傳統(tǒng)金屬玻璃制造相關的挑戰(zhàn)并采用獨特的兩階段熔化策略，他們不僅增強了這些材料的可行性，還為其在各個行業(yè)的應用開辟了新途徑。采用金屬玻璃的 DfAM 的未來看起來很有希望，其潛在應用范圍從醫(yī)療植入到更高效的電機設計。這項開創(chuàng)性的工作為 MG 復合材料的進一步探索和商業(yè)化鋪平了道路，標志著這些材料的科學研究和實際應用取得了顯著進步。