大连交通大学研究非晶态金属的制造已久, 最近，大连交通大学的吕云卓副教授等人与哈尔滨工业大学和英国伯明翰大学的研究人员合作，利用同轴送粉激光3D打印技术，通过有限元模拟的方法优化最佳工艺参数，成功制备出非晶含量超过90％的大尺寸Zr基非晶合金。
非晶合金又称金属玻璃，由于其原子排列长程无序、短程有序的特点，其在物理、化学以及力学性能上都呈现出一系列传统晶体合金所不具备的优异特性，这使其在轨道交通、航空航天、汽车船舶、装甲防护、精密仪器等领域都存在广泛的应用前景。然而，处于亚稳态的非晶合金需要在较快的冷却速率下才能获得，而目前通常采用的铜模铸造法只能制备出临界尺寸较小的非晶合金。另外，由于块体非晶合金存在严重的室温脆性问题，其在室温下难以进行机械加工。复杂形状构件的模具无法或很难加工制造，导致难以获得精密复杂的非晶合金构件，这成为制约非晶合金应用的另一个瓶颈。
因此，如何突破非晶合金临界的尺寸限制和复杂构件的制备加工是扩展其在相关领域应用的关键。近年来，激光3D打印技术的迅猛发展为解决上述难题提供了契机。激光3D打印技术属于快速成形技术的一种，与传统的切削等机械加工技术不同，激光3D打印技术是一种以数字模型文件为基础的“增材制造”技术，是一种具有“变革性”意义的数字化、短周期、低成本的先进制造技术。
图：激光3D打印技术制备非晶合金的优势
由于激光3D打印技术是一种逐点离散熔覆沉积的成型方法，其每点的所受激光加热面积较小，熔池的热量可以迅速向基体扩散，使得激光熔池的冷却速率远大于非晶合金的临界冷却速率，使得熔池在冷凝的过程中可以避免发生晶化，进而获得非晶态，这为无尺寸限制地制备非晶合金提供可能。另外，激光3D打印是以金属粉末为原材料，通过高能激光束对金属粉末逐层熔化堆积，直接由数字模型一步完成全致密、高性能、复杂金属零件的“近终成形”制造，这为制备复杂的非晶合金构提供理想的手段。
图：激光3D打印Zr基非晶合金的材料及装置示意图
因此，针对目前非晶合金所面临的尺寸较小和难以制备加工复杂构件的问题，激光3D打印技术是最有可能解决上述问题，并实现非晶合金大规模应用的技术。
图：有限元模拟激光3D打印Zr基非晶合金参数优化
大连交通大学为非晶合金作为梯度材料在功能领域的应用提供了可能，扩大了非晶合金的使用范围。研究发现，该非晶合金的梯度结构是由于在同轴送粉激光3D打印过程中不同打印层所经历的不同热历史所引起的不同程度的晶化导致。
此项研究成果不仅提供了一种制备大尺寸具有复杂形状的非晶合金的新方法，也为促进高性能非晶合金在工程和功能领域的大规模应用奠定了基础。该研究结果得到了国家自然科学基金（51671042， 51671043，51401041）、辽宁省教育厅重点实验室基础研究项目（LZ2015011）的资助。
以上来源：南极熊3D打印
大连交通大学由来已久的非静态金属研究
根据3D科学谷的市场研究，在欧盟增材制造路线图中，开发包括生物材料、超导材料、新磁性材料、高性能金属合金、非晶态金属、复合高温陶瓷材料、金属有机骨架、纳米颗粒和纳米纤维材料是重要的一部分。非晶态金属集众多优异性能于一身，如高强度、高硬度、耐磨以及耐腐蚀等。这些优异的性能使其在航空航天、汽车船舶、装甲防护、精密仪器、电力、 能源、电子、生物医学等领域都存在广泛的应用前景，可以说非晶态金属材料的制备具有战略性的商业化价值。
根据3D科学谷的市场观察，国际上通过3D打印主要包括两种，一种是通过激光熔覆（DED定向能量沉积）的方法来实现非晶态金属的制造，另外一种是通过粉末床熔融金属3D打印技术来实现非晶态金属的制造。
与大连交通大学所应用的熔覆沉积方法类似，加州理工大学也采取了类似的技术制造非晶态金属，加州理工大学制造非晶态金属的方法为：将第一层金属合金表面高温熔融；迅速冷却这层熔融金属合金，凝固形成非晶态金属的第一层；然后在此基础上进行下一层的加工。在这个过程中使用的是“喷涂技术”应用至每一层，包括等离子喷涂、电弧喷涂等方法。“喷涂技术”可以使用的原材料包括：金属丝和金属粉末。根据3D科学谷的市场研究，该“喷涂技术”为DED直接能量沉积3D打印技术。
而不仅仅是熔覆沉积技术，根据3D科学谷的市场研究，大连交通大学在通过粉末床熔融金属3D打印技术制备非晶态合金方面也有一定的技术积淀。在利用激光3D打印技术成形金属构件的过程中，熔池附近的热量主要通过所制备的金属构件基体向外传导，激光熔池的冷却速率主要取决于金属构件基体内部的温度梯度。对于成型需要较高冷却速率的非晶态金属构件，较低的基体温度梯度会使熔池的热量无法快速扩散出去，导致熔池在冷凝的过程中发生 晶化，导致无法获得全非晶态的金属构件，降低金属构件的性能。大连交通大学通过提高熔池的冷却速率，来达到激光3D打印成形非晶态金属构件的目的。
大连交通大学通过真空操作环境中主要利用将工作台外侧设置冷却液工作池，保证所制备的金属构件始终处于较低温度，提高金属构件熔池附近的温度梯度，从而快速高效地扩散掉金属构件熔池附近热量，进而避免晶化的发生。
粉末床工作台安装在冷却液工作池内，工作台外周环绕有多层循环冷却水管，循环冷却水管的主体置于所述冷却液工作池内，循环冷却水管的进、出水管穿过所述冷却液工作池并置于真空手套箱外。
在打印过程中，激光3D打印成形的金属构件始终浸泡于冷却液中， 冷却液的液面低于激光打印层面且保持在预设的高度，冷却液的液面上升速率与激光3D成形金属构件的堆积速率相等。从而保证激光熔池的热量可以高效快速地通过金属构件基体和冷却液输送掉。
通过调节冷却液流量控制阀，控制冷却液液面上升速度，使冷却液液面始终低于激光打印层面一定距离，保证金属构件熔池的热量可以快速地经金属构件基体流向冷却液；循环冷却水管环绕工作台多层并置于冷却液工作池内，可以及时带走冷却液热量，降低冷却液温度。
商业化已在路上
根据3D科学谷的市场观察，通过3D打印来制造非晶态金属已经实现了商业化，这其中，瑞典Exmet公司就是一家致力于非晶态金属3D打印的初创企业，而2017年3月，Exmet还与德国工业级3D打印机制造商EOS下设的风投公司AM Ventures签订了正式的投资协议。
Exmet在斯德哥尔摩设有办事处和一座工厂，在工厂中配备了EOS 金属3D打印机，用于制造高性能的非晶态金属零部件。EOS的AM Ventures不仅为Exmet提供资金和技术支持，而且会通过市场机会和管理能力来支持Exmet。在技术方面，AM Ventures 及EOS帮助Exmet和用户实现特定的非晶态金属部件的连续生产，从而充分发掘这些部件优越的机械性能和磁性能。
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