不可思議的非晶態金屬3D列印，國內居然也有

非晶態金屬（金屬玻璃）又稱非晶態合金， 它既有金屬和玻璃的優點， 又克服了它們各自的弊病．如玻璃易碎， 沒有延展性．金屬玻璃的強度高於鋼， 硬度超過高硬工具鋼， 且具有一定的韌性和剛性， 所以， 人們讚揚金屬玻璃為「敲不碎、砸不爛」的「玻璃之王」。

非晶態金屬集眾多優異性能於一身，如高強度、高硬度、耐磨以及耐腐蝕 等。這些優異的性能使其在航空航天、汽車船舶、裝甲防護、精密儀器、電力、 能源、電子、生物醫學等領域都存在廣泛的應用前景。

大連交通大學研究非晶態金屬的製造已久，還通過採用熔體噴鑄的方法製備了板狀非晶合金Zr55Al10Ni5Cu3。本期，3D科學谷與谷友一起來看他們是如何將3D列印技術用於製造非晶態金屬。

冷卻

是關鍵的一環

目前通常採用的 銅模鑄造法製備出的非晶態金屬的尺寸僅為厘米級，嚴重地制約其工程化應用。 另外，由於非晶態金屬存在嚴重的室溫脆性問題，其在室溫下難以進行機械加 工，所以難以獲得精密複雜的非晶態金屬構件。

激光3D列印技術加工非晶態金屬的難點在於，由於基於粉末床的激光3D列印是一種逐點離散熔覆沉積的成型方法，其每點所受激光加熱面積較小，熔池的熱量可以迅速向基體擴散；如果熔池的冷卻速率高於所列印金屬材料形成非晶態所需的臨界冷卻速率，則熔體在冷凝的過程中不發生晶化，即獲得非晶態；逐層沉積則可製備具有複雜形狀、無尺寸限制的非晶態金屬構件。

在利用激光3D列印技術成形金屬構件的過程中，熔池附近的熱量主要通過所製備的金屬構件基體向外傳導，激光熔池的冷卻速率主要取決於金屬構件基體內部的溫度梯度。對於成型需要較高冷卻速率的非晶態金屬構件，較低的基體溫度梯度會使熔池的熱量無法快速擴散出去，導致熔池在冷凝的過程中發生 晶化，導致無法獲得全非晶態的金屬構件，降低金屬構件的性能。大連交通大學通過提高熔池的冷卻速率，來達到激光3D列印成形非晶態金屬構件的目的。

大連理工大學通過真空操作環境中主要利用將工作台外側設置冷卻液工作池，保證所製備的金屬構件始終處於較低溫度，提高金屬構件熔池附近的溫度梯度，從而快速高效地擴散掉金屬構件熔池附近熱量，進而避免晶化的發生。

粉末床工作台安裝在冷卻液工作池內，工作台外周環繞有多層循環冷卻水管，循環冷卻水管的主體置於所述冷卻液工作池內，循環冷卻水管的進、出水管穿過所述冷卻液工作池並置於真空手套箱外。

在列印過程中，激光3D列印成形的金屬構件始終浸泡於冷卻液中， 冷卻液的液面低於激光列印層面且保持在預設的高度，冷卻液的液面上升速率與激光3D成形金屬構件的堆積速率相等。從而保證激光熔池的熱量可以高效快速地通過金屬構件基體和冷卻液輸送掉。

通過調節冷卻液流量控制閥，控制冷卻液液面上升速度，使冷卻液液面始終低於激光列印層面一定距離，保證金屬構件熔池的熱量可以快速地經金屬構件基體流向冷卻液；循環冷卻水管環繞工作台多層並置於冷卻液工作池內，可以及時帶走冷卻液熱量，降低冷卻液溫度。

目前大連交通大學這項技術的可行性與商業前景如何還有待後續跟蹤。不過，3D科學谷發現歐盟的增材製造路線圖中通過3D 列印製備非晶態金屬也屬於歐盟支持的路線圖中的一個方向，關於國際上在這一領域取得了哪些進展，有哪些公司在進行探索與研究，3D科學谷將保持持續研究與跟蹤。

本文參考專利：

US20160067387:Amorphous Silicon Oxide, Amorphous Silicon Oxynitride, and Amorphous Silicon Nitride Thin Films and Uses Thereof

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