金属玻璃(MG)或非晶金属是具有无序原子结构的材料,与传统金属中的有序晶格不同,这种独特的结构为它们提供了卓越的强度、硬度、弹性和耐腐蚀性。这些特性使得它们适用于从电子到航空航天的各种应用。增材制造 (AM)特别适合使用金属玻璃等材料,因为它能够快速冷却熔融材料,这对于保持玻璃的非晶态、非晶体结构至关重要,同时还可以精确制造复杂的形状和几何形状,使用传统制造方法通常很难实现这一点。

     Lukasz Zrodowski 是金属增材制造领域的先驱发明家,专门研究 MG 打印、超声波雾化技术和自动支撑去除技术。目前,他在其公司AMAZEMET和华沙理工大学领导着一支由约 17 名工程师和研究人员组成的充满活力的团队。2023年11月,Lukasz分享了他在金属玻璃及其复合材料激光粉末床熔合 (LPBF) 以及增材制造 (DfAM) 材料特定设计方面的开创性工作的见解。

△Lukasz Zrodowski
研究概述
Lukasz的团队最近在MG及其复合材料的LPBF方面的工作引起了科学界的关注,特别是在材料科学和制造领域。Lukasz表示他们的研究主要集中在将 LPBF 应用于 MG 及其复合材料。金属玻璃于 20 世纪 60 年代被发现,以其独特的软磁特性而闻名。然而,由于延展性差和制造工艺复杂等挑战,它们作为结构材料的潜力受到一定限制。

在研究中,Lukasz引入了一种使用 LPBF 工艺生产高度取向的晶体非晶复合材料的策略:
●通过对 AMZ4(由 Ralf Busch 教授设计)和等原子 CuZr 等特定非晶合金采用新颖的两阶段熔化方法和超高压热等静压 (HIP)。

●通过 AMAZEMET 的超声波雾化技术进行雾化,取得了显着的成果。

●通过调整激光参数,可以生产完全由非晶材料制成的零件。

●此外,可以基于层压非晶态结构创建具有特定几何结构微观结构设计的复合材料。

Lukasz的研究为非平衡相分布设计开辟了新的可能性,为采用 LPBF 和其他粉末床熔融技术设计零件的微观结构提供了潜力。研究人员相信这种方法可以彻底改变产品设计和制造,特别是在大块金属玻璃领域,预计未来该领域的商业化将会增加。

挑战与机遇
LPBF是一种增材制造技术,有可能彻底改变产品设计和制造, Lukasz研究团队还将DfAM的概念应用于MG及其复合材料。MG 一直表现出有前景的机械和化学特性。然而,由于延展性差和传统制造工艺复杂等固有挑战,它们作为结构材料的应用受到限制。例如,MG 的注塑需要高纯度的原料和昂贵的模具。此外,虽然已经发现了许多MG组合物,但只有少数组合物具有玻璃形成能力、韧性和可加工性的理想组合,从而在经济上可行。

通过 LPBF,研究成功克服了 MG 的一些传统制造挑战,包括机械加工性差和铸件直径限制。然而,LPBF 在处理 MG 时也提出了自己的挑战。由于 MG 的亚稳态性质,优化 LPBF 通常需要平衡孔隙率的控制与晶相含量。LPBF 工艺中的高能量密度可以降低孔隙率,但也可能加速热影响区 (HAZ) 的失透,通常被认为是材料缺陷。

Lukasz的方法受 DfAM 原理的影响,使用两阶段熔化策略。该方法将激光和粉末之间的相互作用与最终致密化和微观结构设计阶段分开。因此可以生产几乎致密的 MG 及其复合材料,同时避免过多的热量积累。该技术不仅解决了传统 MG 制造的挑战,还为各行业的创新 MG 应用打开了大门。

△LPBF过程中金属玻璃结晶的控制过程

研究材料
Lukas的研究主要集中在块状金属玻璃 (BMG) 研究中的基准合金 AMZ4 (Zr59.3Cu28.8Al10.4Nb1.5),由 Ralf Busch 开发。2017 年,AMZ4 是为数不多的球形粉末形式的玻璃形成合金之一。作为概念验证,研究人员将打印策略应用于通过超声波雾化雾化的等原子 CuZr 非晶合金。然而,这些合金最初并不是为 LPBF 开发的,需要对专为 LPBF 设计的具有特定 MG 成分的合金进行进一步研究。

AMAZEMET 开发的超声波雾化器(rePOWDER)将加速新型、有前途的合金的开发,例如最近雾化的 Ti-S BMG。杜伊斯堡埃森大学的研究人员展示了这些合金在形成致密和非晶部件方面的潜力,标志着该领域向前迈出了重要一步。

△金属玻璃组件

未来发展
使用我们的方法通过 LPBF 打印 MG 需要复杂的 LPBF 扫描策略,可能超出某些标准工业软件的功能。可以通过一些软件技巧手动实现对简单几何形状的这些策略。然而,复杂的几何形状需要开发自动激光扫描策略,特别是对于复合材料。为了促进这一过程并促进该技术的产业化,需要新的LPBF模型。这些模型应考虑非平衡相变和非晶相结晶。

在 MG 打印中,有效管理材料的热量输入至关重要。因此,主动过程控制(例如与合适软件集成的热感相机或高温计)被引入打印机。这些控制可以为当前使用 MG 打印复杂形状所面临的挑战提供解决方案,例如由于热量积聚导致的局部失透或应力集中引起的开裂。

△金属玻璃齿轮

实验步骤

●材料选择:最初,使用 AMZ4 合金,因为它具有商业可用性、优异的玻璃形成能力和其他有利的特性。

●激光熔化使用 Realizer SLM 50 机器来加工材料。LPBF 工艺的优化分为三个阶段:在散装材料和粉末中创建单轨、扫描策略的验证以及激光参数的微调。

●后处理:在激光熔化工艺之后,使用热等静压 (HIP) 实现了最终致密化。

●热分析:采用差示扫描量热法(DSC)来量化玻璃相含量。

●微观结构表征:使用光学显微镜进行初步表征;利用电子显微镜(包括 SEM 和 STEM)来识别样品中的微晶;进行显微 CT 检查以详细评估样品的内部孔隙率。

●机械测试:对样本进行了 4 点弯曲测试,以评估其机械性能。还使用销盘测试来评估耐磨性。

●纳米压痕:用于绘制复合材料样品的硬度和弹性模量。

●在 CuZr 材料上的应用:作为概念验证,相同的打印策略也适用于 CuZr 材料。

与此同时,将打印 MG 复合材料的专利商业化,随后成立了一家制造超声波雾化器的公司,该公司现在拥有 60 多名员工。

应用领域
当前使用 LPBF 打印的 MG 合金的局限性(例如结晶相的高脆性)抑制了使用 DfAM 设计具有优化形状和微观结构的复合材料零件的全部潜力。当专用合金被开发出来时,新的应用将会出现:

●例如具有材料特性的植入物,例如通过形状(晶格结构)和微观结构在单个零件上定制的刚度。

●电动机的转子,其中非晶相和晶相的不同矫顽力可以实现更高效的转子设计。

具有复合微观结构的 DfAM 概念可以与其他非玻璃形成合金一起进一步探索,其中原位局部热处理的概念可以增加另一个维度——增材制造的微观结构设计。
      Lukasz Zrodowski 及其 AMAZEMET 团队与华沙理工大学合作的工作代表了 AM 和 MG 领域的重大飞跃。他们创新地利用 LPBF 来制造高度取向的晶体非晶复合材料,展示了彻底改变材料科学和制造的潜力。通过解决与传统金属玻璃制造相关的挑战并采用独特的两阶段熔化策略,他们不仅增强了这些材料的可行性,还为其在各个行业的应用开辟了新途径。采用金属玻璃的 DfAM 的未来看起来很有希望,其潜在应用范围从医疗植入到更高效的电机设计。这项开创性的工作为 MG 复合材料的进一步探索和商业化铺平了道路,标志着这些材料的科学研究和实际应用取得了显着进步。

作者 zhiyongz

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