研究人員開發(fā)先進(jìn)激光整形方法，可用于3D打印高致密非晶金屬玻璃

2024年3月31日，南極熊獲悉，來(lái)自瑞士先進(jìn)制造中心和萊奧本山大學(xué)的研究人員開發(fā)了一種先進(jìn)的激光束整形方法，可用于塊狀金屬玻璃 (BMG) 的增材制造。在此項(xiàng)目中，研究人員使用整形的激光束制造了幾乎完全非晶的致密BMG 樣品，從而極大地增強(qiáng)了機(jī)械性能。

相關(guān)研究以題為“Controlling the Glassy State towardStructural and Mechanical Enhancement: Additive Manufacturing of Bulk MetallicGlass Using Advanced Laser Beam Shaping Technology /控制玻璃態(tài)以實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)和機(jī)械增強(qiáng)：使用先進(jìn)激光束成形技術(shù)增材制造塊狀金屬玻璃”的論文被發(fā)表在《先進(jìn)功能材料》期刊上。

論文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202311118

塊狀金屬玻璃 (BMG) 具有卓越的物理/機(jī)械性能，非常適合各種應(yīng)用。激光粉末床熔合 (LPBF) 技術(shù)在生產(chǎn)大型且復(fù)雜的 BMG 結(jié)構(gòu)方面具有廣闊的前景。然而，當(dāng)前的增材制造機(jī)器中使用的非最佳能量分布會(huì)導(dǎo)致先前固化的層被大量重新加熱。因此，機(jī)械特性會(huì)受到結(jié)構(gòu)松弛和部分結(jié)晶的顯著影響。

△高斯光束(a) 成形光束 (b) 的能量密度分布和熔池幾何形狀。 （圖片來(lái)源：S Hadibeik 等人）

研究團(tuán)隊(duì)使用可調(diào)諧的先進(jìn)激光光束整形技術(shù)解決了這個(gè)問(wèn)題，并建立了優(yōu)化的原子級(jí)短程和中程有序性以及提高的屈服/斷裂抗壓強(qiáng)度。使用光束整形形成淺而寬的熔池幾何形狀可以增加熔道間距，以更好地控制熱歷史，從而改善非晶性和再生性。這種更高的再生和無(wú)序性可以增加原子遷移率，從而促進(jìn)剪切帶的生成和增殖，從而增強(qiáng)材料的機(jī)械強(qiáng)度和延展性。

△a) 原始粉末、b) SB-H、c) SB-L、d)GB-H 和 e) GB-L 樣品的高能同步加速器 X 射線衍射圖、光學(xué)顯微照片和 SEM 圖像。

目前的研究表明，BMG 零件可以使用自由光束整形技術(shù)來(lái)制造，從而超越最先進(jìn)的增材制造技術(shù)的能力。盡管機(jī)械行為與原始狀態(tài)不同，需要進(jìn)一步研究。此外，自由光束整形有可能徹底改變 PBF-LB 工藝，實(shí)現(xiàn)與機(jī)器學(xué)習(xí)的無(wú)縫集成并更快地優(yōu)化新材料。

在這項(xiàng)研究中，采用先進(jìn)的激光束整形來(lái)增材制造 AMLOY-Zr01 BMG 合金。先進(jìn)的材料特性證實(shí)了幾乎完全非晶態(tài)的結(jié)構(gòu)，其增強(qiáng)的性能是目前使用最先進(jìn)的 LPBF 機(jī)器無(wú)法實(shí)現(xiàn)的。與使用標(biāo)準(zhǔn)高斯光束處理的樣品相比，成形光束產(chǎn)生具有較小尺寸晶體分布的增材制造樣品。在成形光束樣品中，玻璃的原子尺度結(jié)構(gòu)發(fā)生了拓?fù)涓淖?，為變形時(shí)的原子運(yùn)動(dòng)和剪切帶傳播提供了更大的自由度。

自由光束整形技術(shù)還具有進(jìn)一步改變 LPBF 工藝開發(fā)方式的潛力，特別是對(duì)于塊狀金屬玻璃。自由光束整形是一種完全數(shù)字控制的技術(shù)，可以與機(jī)器學(xué)習(xí)概念無(wú)縫集成，因?yàn)樗顺跏及惭b后人工與光學(xué)器件交互的需要。此外，由于光學(xué)系統(tǒng)非常靈活和可調(diào)，新材料的開發(fā)過(guò)程或特定應(yīng)用的優(yōu)化將可能變得更快，同時(shí)產(chǎn)生更好的結(jié)果（陷入局部最優(yōu)的風(fēng)險(xiǎn)低）。這可能會(huì)導(dǎo)致以前無(wú)法使用 LPBF 加工的高性能材料的加工工藝。