金属玻璃（非晶金属）的增材制造

1。简介：当金属像玻璃一样凝固时

普通金属具有熔体冷却时形成的晶格结构。然而，如果特殊合金（例如基于锆或钛的合金）被极快地冷却（高达每秒 1,000,000 °C），则原子的混乱液体排列会在晶体形成之前“冻结”。结果是“金属玻璃”（非晶金属或块状金属玻璃 - BMG）。

由于 3D 打印在微观范围内提供了这些极端的冷却速率，因此它被认为是加工这些神奇材料的关键技术。

2。临界冷却速率的挑战

传统上，非晶态金属只能铸造成极薄的带材或非常小的部件（几毫米厚）。如果核心中的材料冷却得太慢，它就会结晶并失去其独特的性能（变得非常脆）。

然而，在粉床 3D 打印 (PBF) 中，只有少量粉末（30 µm 薄层）被激光熔化，并立即被固体冷构建板或下面的层“淬火”（淬火）。这意味着首次可以用非晶态金属生产宏观的大型部件。

3。 BMG 的激光粉末床融合 (PBF-LB)

打印金属玻璃本身就是一门科学：

• 热影响区：每个新的熔化层都会重新加热下面的非晶层。如果超过“玻璃化转变温度”太长时间，材料随后会结晶（重结晶）。激光参数必须保持极其严格。
• 孔隙率与结晶：激光能量太少会导致孔隙（融合不良）。过多的能量会导致热量积聚和结晶。工艺窗口很小。

4。革命性的应用领域

集极端耐磨性、弹性和生物相容性于一身，3D 打印机的非晶态金属大放异彩。

• 医疗技术：永不变钝的手术刀，或完美适应身体运动且不会疲劳的高弹性植入物和支架。
• 机器人和齿轮：由非晶态金属制成的齿轮（例如在太空旅行或外骨骼中）不再需要润滑剂，因为它们具有极低的摩擦系数并且不会磨损（固态润滑）。
• 生活方式和传感器技术：智能手机、传感器或豪华手表的外壳非常耐刮擦，在跌落时不会凹陷，而是能够弹性吸收能量。

5。结论：材料科学的新时代

增材制造和非晶态金属的结合消除了这两种技术的局限性。虽然粉末生产（主要是昂贵的锆铜铝合金）仍然需要变得更便宜，但通过 3D 打印生产全新类型的高性能机械部件的大门已经敞开。