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金屬玻璃不是大件和復(fù)雜件難做嗎大連交通大學(xué)等嘗試用3D打印解決這難題
1970年01月01日 08:00 變壓器產(chǎn)業(yè)網(wǎng)

  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),通過有限元模擬的方法優(yōu)化佳工藝參數(shù),成功制備出非晶含量超過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程無序、短程有序的特點,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、汽車船舶、裝甲防護、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重的室溫脆性問題,其在室溫下難以進行機械加工。復(fù)雜形狀構(gòu)件的模具無法或很難加工制造,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,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。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、低成本的先進制造技術(shù)。由于激光3D打印技術(shù)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面積較小,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于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(fā)生晶化,進而獲得非晶態(tài),這為無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,通過高能激光束對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)件的問題,激光3D打印技術(shù)是有可能解決上述問題,并實現(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

  上述3所高校研究人員利用同軸送粉激光3D打印技術(shù),通過有限元模擬的方法優(yōu)化佳工藝參數(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)。、遼寧省教育廳重點實驗室基礎(chǔ)研究項目的資助。)

  火遍的3D打印未來將在非晶產(chǎn)業(yè)化領(lǐng)域成為一個熱點,國內(nèi)外已有多家科研單位展開了相關(guān)研究工作。非晶中國大數(shù)據(jù)庫信息顯示:今年4月初,來自美國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,能夠用來制造更高效的電動機和其他設(shè)備。研究員生產(chǎn)的鐵合金比其關(guān)鍵鑄件厚度大15倍。無定形金屬,同時也被稱為金屬玻璃,它是具有無序原子尺度結(jié)構(gòu)的固體金屬材料。它們在固態(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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