塊狀貴金屬玻璃3D打印或將改變珠寶制造，洛桑和蘇黎世聯(lián)合《AM》

導讀：瑞士洛桑聯(lián)邦理工學院（EPFL）和蘇黎世聯(lián)邦理工學院（ETH）的研究人員合作進行了一項研究，通過增材制造生產了一種鈀合金（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域的重要材料。另外，它們還可以在某些領域中替代傳統(tǒng)工程材料，包括電子產品、運動設備和珠寶。

△以600 毫米/秒（左）和 1000 毫米/秒（右）掃描速度的單個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，制造了密度為99.6%的Pd43Cu27Ni10P20塊狀金屬玻璃（BMG）部件，并對部件進行了表征，詳細研究了樣品的微觀結構和機械性能，以及無定型粉末顆粒的結晶動力學。經過測試，這些零件展現(xiàn)了優(yōu)異的機械性能，如高硬度和抗壓強度，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，這對于零件表面光潔度或美學有著很重要的作用。

△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粉末（見黑色箭頭）。

實驗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，對單軌道形狀的影響。研究人員使用不同參數(shù)測試了12個樣本，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)。

在單軌實驗之后，研究人員還通過光學顯微鏡（OM）、掃描電子顯微鏡（SEM）、X射線衍射（XRD）、顯微計算機斷層掃描（μ-CT）、壓縮測試和顯微硬度對高度無定型3D打印樣品進行表征。團隊還利用快速差示掃描量熱法（FDSC）研究粉末合金的結晶動力學。

△實驗流程

據(jù)稱，研究的所有實驗均使用少于70g的粉末制造樣品，最大限度減少時間、材料和成本。測試結果表明，這種材料能夠有效生產具有優(yōu)異機械性能的貴金屬零件，例如高硬度和抗壓強度。同時，團隊還發(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的引入避免結晶。

參考文獻：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

文獻地址：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2352940721001451#fig0018