[发明专利]一种金属玻璃晶格结构复合材料零件的增材制造方法

说明书

本发明涉及一种金属玻璃晶格结构复合材料零件的增材制造方法，属于增材制造技术领域。采用选区激光熔化技术，通过调控激光工艺参数，在不同位置成形不同显微组织的金属，在金属玻璃零件内部埋入调控力学性能的晶格结构骨架，实现基于同种材料的金属玻璃与晶格骨架一体的复合材料零件成形。本发明将晶格结构应用于金属玻璃成形，基于拓扑学理论建立晶格结构模型微观结构单元，采用均匀化法对晶格结构模型进行性能预测并优化晶格结构参数，通过选区激光熔化成形工艺，可直接近净成形出任意形状具有晶格结构的大块金属玻璃零件，可显著提高金属玻璃零件的塑性，提高成形零件的综合力学性能，增强金属玻璃零件的稳定性。

技术领域

本发明属于增材制造技术领域，具体涉及一种通过选区激光熔化技术制造金属玻璃晶格结构零件的方法。

背景技术

金属玻璃又称玻璃态金属或非晶态金属，其兼有金属和玻璃优点，又克服了它们各自的弊病，强度高于钢，硬度超过高速工具钢，且具有一定的韧性和刚性。现已开发出的块体金属玻璃材料体系有Pd基、Fe基、Zr基、Mg基、Al基、Ti基、Cu基、Ce基、La基等。金属玻璃因其优异的力学性能、耐腐蚀性、软磁性能、高饱和磁感性强度等，被广泛应用于汽车、船舶、航空航天、军事场合、消费电子等关键零部件的制造。

目前，金属玻璃的三维成形方法主要有传统成形和增材制造。金属玻璃传统成形方法是将通过铜模铸造法、机械合金化等手段制备的金属玻璃原料，采用热压成形、粉末轧压、放电等离子烧结等粉末冶金固结成形技术加工成大块坯体，然后通过机械加工成形出三维零件，金属玻璃因其硬脆特性，其复杂结构零件成形受传统机械加工成形方法的限制，这导致金属玻璃应用具有很大局限性。为打破传统工艺金属玻璃成形尺寸和结构复杂性的限制，Aschaffenburg应用科技大学的Pauly等人采用金属增材制造技术，高温熔化铁基金属玻璃粉末制造出了复杂的支架结构，但其研究尚未成熟，过高的冷却速率及铁基材料有限的延展性能使得试样出现了微裂纹和气孔等组织缺陷。如今金属玻璃增材制造技术虽已较为成熟，但金属玻璃本身硬脆特性导致的制件开裂、翘曲，仍是亟待解决的一个难题，

复杂晶格结构零件在工业等领域有着日益增长的需求和重要应用，其具有优异物理力学性能，密度小、质量轻、比表面积大、吸能减振性能好、消音降噪效果好、电磁屏蔽性能高、换热散热能力强、渗透性好、热导率高，其应用已扩展到结构材料、功能材料和生物材料等领域。晶格结构是一种可设计的结构，均匀化理论作为研究非均质材料性能预测及结构优化的有力方法，在晶格材料的设计优化上被广泛研究和应用，其实质是利用均质的宏观结构和非均质周期性分布的微观结构来描述原有的晶格非均匀结构。它从构成材料的微观结构的单晶胞参数入手，假定单晶胞在空间分布具有可重复性，通过同时引入宏观和微观尺度，综合考虑材料微观结构的影响，精确的预测晶格结构的整体性能。

选区激光熔化(Selective Laser Melting,SLM)技术属于快速凝固制造工艺，利用高能量的激光束，按照预定的路径扫描预先铺覆好的粉末，将其完全熔化，再经冷却凝固后成形的一种技术。相比其它金属增材制造技术，SLM技术具有更高的成形精度以及更少的后续加工量，可成形复杂度更高的零件，是金属增材制造技术应用的主要方向之一。由于SLM技术在成形金属零件过程中的冷却速率极高(10⁴～10⁸K/s)，远高于大多数金属玻璃体系所需的临界冷却速率(10²～10⁴K/s)，因此被认为是制造大块金属玻璃最有前景的技术之一

发明内容

本发明提供一种金属玻璃晶格结构复合材料零件的增材制造方法，以解决现有块体金属玻璃材料脆性大，稳定性差，采用传统机械加工方法加工较难的问题，以及现有增材制造工艺成形金属玻璃零件，存在部分材料晶化、翘曲变形和成本高等问题。针对金属玻璃材料的硬脆特性，基于拓扑学理论建立晶格结构模型微观结构单元，采用均匀化法对晶格结构模型进行性能预测并优化晶格结构参数，采用选区激光熔化制造工艺，实现高塑性，高稳定性，任意形状具有晶格结构的大块金属玻璃零件的直接近净成形。

本发明采取的技术方案是，包括下列步骤：