3D打印：非晶基複合材料實用化的突破口

將3D打印技術應用於塊體非晶合金的製備，是突破非晶合金臨界的尺寸限製和實現複雜非晶合金構件製備的可行方法，有可能是非晶產業的下一個“雄安”。利用3D打印技術成型非晶基複合材料是實現其實用化的突破口之一。

3D打印：非晶基複合材料實用化的突破口

金屬零件3D打印技術作為整個3D打印體係中最為前沿和最有潛力的技術，是先進製造技術的重要發展方向。雖然現在金屬3D打印很熱，有很多企業和政府也紛紛上馬或推廣金屬3D打印項目，但真正用金屬3D打印做出產品的較少。這裏麵關鍵問題還是技術問題，打印速度和精度、打印精度和強度等相互矛盾的技術指標困擾著製造商和最終用戶，當然還有操作專業性強、原材料昂貴等問題，最終讓他們保持觀望態度。在現階段技術條件下，發展金屬3D打印的智能化和增減複合技術是有效地解決目前存在弊端的關鍵，是未來金屬3D打印的重要發展方向。

為什麽會盯著非晶3D打印？

處於亞穩態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隻能製備出臨界尺寸較小的非晶合金。另外，由於塊體非晶合金存在嚴重的室溫脆性問題，其在室溫下難以進行機械加工。複雜形狀構件的模具無法或很難加工製造，導致難以獲得精密複雜的非晶合金構件，這成為製約非晶合金應用的另一個瓶頸。因此，如何突破非晶合金臨界的尺寸限製和複雜構件的製備加工是擴展其在相關領域應用的關鍵。

近年來，激光3D打印技術的迅猛發展為解決上述難題提供了契機。激光3D打印技術屬於快速成形技術的一種，與傳統的切削等機械加工技術不同，激光3D打印技術是一種以數字模型文件為基礎的“增材製造”技術，是一種具有“變革性”意義的數字化、短周期、低成本的先進製造技術。由於激光3D打印技術是一種逐點離散熔覆沉積的成型方法，其每點的所受激光加熱麵積較小，熔池的熱量可以迅速向基體擴散，使得激光熔池的冷卻速率遠大於非晶合金的臨界冷卻速率，使得熔池在冷凝的過程中可以避免發生晶化，進而獲得非晶態，這為無尺寸限製地製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，通過高能激光束對金屬粉末逐層熔化堆積，直接由數字模型一步完成全致密、高性能、複雜金屬零件的“近終成形”製造，這為製備複雜的非晶合金構提供理想的手段。

因此，針對目前非晶合金所麵臨的尺寸較小和難以製備加工複雜構件的問題，激光3D打印技術是最有可能解決上述問題，並實現非晶合金大規模應用的技術。

國內外進展：

(1)我國非晶3D打印研究有進展

我國在非晶3D打印研究較早，且取得一定成果。西北工業大學的楊高林等人采用預置粉末的方式激光3D打印Zr基非晶合金，研究發現，製備的7層小尺寸Zr基非晶合金中非晶相的含量可以達到92%(體積比)。太原理工大學的幹宇采用預置粉末的方式激光3D打印Zr基非晶合金，在非晶合金的中上部，化學成分相對分布均勻，接近設計的理想組分。華中科技大學的柳林教授課題組采用激光選區激光3D打印技術成型Fe基非晶合金，他們采用激光在線退火以及材料複合等手段抑製裂紋的產生。大連交通大學的呂雲卓等人采用同軸送粉激光3D打印技術成型Zr基非晶合金，他們采用打印非晶合金複合材料的方法抑製裂紋。

(2)美國非晶3D打印即將走向商業化

美國俄亥俄州立大學從2008年就開始研究非晶合金的激光3D打印技術，並已經在Cu基和Zr基非晶合金的3D打印上取得進展。日前，美國加州理工大學在非晶合金3D打印上取得較大進步，並已獲批發明專利，其製造非晶態金屬的方法為是將第一層金屬合金表麵高溫熔融，迅速冷卻這層熔融金屬合金，凝固形成非晶態金屬的第一層；然後在此基礎上進行下一層的加工。在這個過程中使用的是“噴塗技術”應用至每一層，包括等離子噴塗、電弧噴塗等方法。“噴塗技術”可以使用的原材料包括：金屬絲和金屬粉末。隨著加州理工大學的此項專利獲批，該技術正式進入商業化階段。

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