塊狀貴金屬玻璃3D打印或?qū)⒏淖冎閷氈圃欤�洛桑和蘇黎世聯(lián)合《AM》

導(dǎo)讀：瑞士洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院（EPFL）和蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院（ETH）的研究人員合作進(jìn)行了一項(xiàng)研究，通過增材制造生產(chǎn)了一種鈀合金（PdCuNiP），這是一種高密度非晶、無裂紋的塊狀金屬玻璃(BMG)。結(jié)果表明，這種材料在手表和珠寶增材制造具有重要前景。

△(a)粉末的XRD圖，(b) 粉末的SEM圖像，以及c) 粉末顆粒橫截面的SEM圖像，粉末顆粒內(nèi)部存在孔隙。

塊狀金屬玻璃，通常稱為BMG（或玻璃態(tài)金屬），是一種非晶固體材料。它們的高強(qiáng)度和硬度，加上驚人的彈性，使它們成為工業(yè)創(chuàng)新的理想選擇。因此，3D打印金屬玻璃或可成為軍事領(lǐng)域的重要材料。另外，它們還可以在某些領(lǐng)域中替代傳統(tǒng)工程材料，包括電子產(chǎn)品、運(yùn)動(dòng)設(shè)備和珠寶。

△以600 毫米/秒（左）和 1000 毫米/秒（右）掃描速度的單個(gè)激光軌跡的激光共聚焦顯微鏡(LCM) 圖像。掃描方向是從右到左。

研究人員利用激光粉末床融合（LPBF）技術(shù)，制造了密度為99.6%的Pd43Cu27Ni10P20塊狀金屬玻璃（BMG）部件，并對(duì)部件進(jìn)行了表征，詳細(xì)研究了樣品的微觀結(jié)構(gòu)和機(jī)械性能，以及無定型粉末顆粒的結(jié)晶動(dòng)力學(xué)。經(jīng)過測(cè)試，這些零件展現(xiàn)了優(yōu)異的機(jī)械性能，如高硬度和抗壓強(qiáng)度，并克服了通常在珠寶和制表中貴金屬的局限性。此外，打印件無需任何后處理，可直接獲得鏡面般光滑和光亮的表面，這對(duì)于零件表面光潔度或美學(xué)有著很重要的作用。

△不同加工參數(shù)制造的樣品（頂視圖，XY）。太高的VED導(dǎo)致不規(guī)則形狀和波浪形表面（見白色箭頭），太低的VED不能完全熔化并固結(jié)粉末（見黑色箭頭）。

實(shí)驗(yàn)通過激光共聚焦顯微鏡（LCM）研究了主要加工參數(shù)，如激光功率和激光掃描速度，對(duì)單軌道形狀的影響。研究人員使用不同參數(shù)測(cè)試了12個(gè)樣本，并最終確定了最優(yōu)打印參數(shù)：功率60瓦，掃描速度600mm/s，孵化距離150μm，層厚40μm和能量密度4.7J/mm3。

△尋找優(yōu)化條件的工藝參數(shù)。

在單軌實(shí)驗(yàn)之后，研究人員還通過光學(xué)顯微鏡（OM）、掃描電子顯微鏡（SEM）、X射線衍射（XRD）、顯微計(jì)算機(jī)斷層掃描（μ-CT）、壓縮測(cè)試和顯微硬度對(duì)高度無定型3D打印樣品進(jìn)行表征。團(tuán)隊(duì)還利用快速差示掃描量熱法（FDSC）研究粉末合金的結(jié)晶動(dòng)力學(xué)。

△實(shí)驗(yàn)流程

據(jù)稱，研究的所有實(shí)驗(yàn)均使用少于70g的粉末制造樣品，最大限度減少時(shí)間、材料和成本。測(cè)試結(jié)果表明，這種材料能夠有效生產(chǎn)具有優(yōu)異機(jī)械性能的貴金屬零件，例如高硬度和抗壓強(qiáng)度。同時(shí)，團(tuán)隊(duì)還發(fā)現(xiàn)，Pd基BMG具有良好的玻璃形成能力 (GFA)，但使用LPBF制造零部件可以通過減少雜質(zhì)的引入避免結(jié)晶。

參考文獻(xiàn)：Sohrabi, N., Jhabvala, J.,Kurtuldu, G., Frison, R., Parrilli, A., Stoica, M., Neels, A., Löffler, J. F.,& Logé, R. E. (2021). Additive manufacturing of a precious bulk metallicglass. Applied Materials Today, 24, 101080.https://doi.org/10.1016/j.apmt.2021.101080

文獻(xiàn)地址：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2352940721001451#fig0018