章媛潔，張金良，張 磊，李 寧，宋 波，史玉升

(華中科技大學(xué) 材料成形與模具技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430074)

非晶合金又稱金屬玻璃，具有短程有序、長(zhǎng)程無序的亞穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)特征。固態(tài)時(shí)其原子的三維空間呈拓?fù)錈o序排列，并在一定溫度范圍內(nèi)保持相對(duì)穩(wěn)定[1]。這種特殊的組織結(jié)構(gòu)決定了非晶合金特殊的性能。力學(xué)性能方面，它有極高的強(qiáng)度和硬度，但彈性模量較低，金屬玻璃拉伸時(shí)伸長(zhǎng)率較小(1.5%～2.5%)，但在壓縮、彎曲時(shí)表現(xiàn)出很高的塑性，表明其在高強(qiáng)度的同時(shí)具有較好的韌性。物理性能方面，非晶合金一般具有較高的電阻率和小的電阻溫度系數(shù)。同時(shí)非晶態(tài)結(jié)構(gòu)合金自身的活性很高，能夠在表面上迅速形成均勻的鈍化膜，因此非晶合金具有良好的抗腐蝕性[2-3]。諸多優(yōu)異的性能使得非晶合金在軍工、航空航天、汽車、超導(dǎo)材料及電磁材料等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，為材料科研工作者和工業(yè)界研究開發(fā)高性能的功能材料與結(jié)構(gòu)材料提供了十分重要的機(jī)會(huì)以及巨大的開拓空間。

目前非晶合金常用的方法是銅模鑄造法和粉末冶金法。采用銅模鑄造法生產(chǎn)時(shí)只能生產(chǎn)少部分玻璃形成能力很強(qiáng)的合金[4]，并且熔體易在銅模內(nèi)壁產(chǎn)生晶化，且凝固后合金呈現(xiàn)出較大的脆性，在生產(chǎn)非晶合金上受到較大的限制；粉末冶金法[5]技術(shù)所制備的塊體在純度、致密度、尺寸和成型等方面受到很大限制。總的來說，目前的方法在制備大尺寸形狀復(fù)雜結(jié)構(gòu)的非晶構(gòu)件仍存在技術(shù)瓶頸，探索一種新的制備非晶合金的方法勢(shì)在必行。

激光選區(qū)熔化(Selective Laser Melting, SLM)和激光立體成形(Laser Solid Forming, LSF)技術(shù)同屬于3D打印技術(shù)，基于分層疊加制造思想，利用高能量激光束將金屬粉末逐層熔化并成形為金屬零件，集成了先進(jìn)的激光技術(shù)、計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與制造(CAD/CAM)技術(shù)、計(jì)算機(jī)控制技術(shù)、真空技術(shù)、粉末冶金技術(shù)等；與傳統(tǒng)的金屬成形方法(高速切削、粉末壓制、鑄造、壓力加工)相比，3D打印技術(shù)制備的零件具有形狀復(fù)雜、相對(duì)密度高等優(yōu)點(diǎn)[6-8]。3D打印技術(shù)的基本原理為：首先在計(jì)算機(jī)上設(shè)計(jì)出零件的三維實(shí)體模型，然后通過專用軟件對(duì)該三維模型進(jìn)行切片分層，得到各截面的輪廓數(shù)據(jù)，將這些數(shù)據(jù)導(dǎo)入快速成形設(shè)備，設(shè)備將按照這些輪廓數(shù)據(jù)，控制激光束選擇性地熔化各層的金屬粉末材料，逐步堆疊成三維金屬零件[9-10]。SLM和LSF技術(shù)可利用高能量密度的激光束將小體積粉體快速加熱至熔化狀態(tài)，激光束移動(dòng)熔體快速凝固，加熱及冷卻速率可達(dá)103～108K/s[11]，滿足大部分非晶材料的形成要求。此外，通過控制輸入能量密度(激光功率、掃描速率、光斑尺寸等)可對(duì)凝固相的組織形貌進(jìn)行調(diào)控，從而優(yōu)化工藝，提升產(chǎn)品質(zhì)量；因此，采用SLM和LSF熔化金屬玻璃粉末制造復(fù)雜形狀的大尺寸塊體非晶合金存在巨大潛力。但SLM和LSF過程包含復(fù)雜的物理和化學(xué)過程，加工時(shí)高的溫度梯度和熱波動(dòng)等對(duì)最終產(chǎn)品有著很大的影響，使得材料出現(xiàn)裂紋孔隙和晶化等組織缺陷，這也是SLM和LSF技術(shù)亟須解決的問題。本文將重點(diǎn)綜述3D打印非晶合金國(guó)內(nèi)外研究進(jìn)展及現(xiàn)有缺陷，同時(shí)提出解決方法，并指出該領(lǐng)域今后的發(fā)展方向。

1 3D打印非晶合金國(guó)內(nèi)外研究進(jìn)展

1.1 SLM制備非晶合金

SLM技術(shù)原理為層疊制造技術(shù)，是利用激光束選擇性地熔化當(dāng)前層的粉末，將其堆疊成形出整個(gè)零件的技術(shù)。目前該技術(shù)廣泛應(yīng)用于成形鐵基合金、鈦合金、鎳基合金等晶態(tài)合金?，F(xiàn)有3D打印成形塊體非晶合金的研究也主要采用SLM技術(shù)，并且已經(jīng)順利成形了支架結(jié)構(gòu)、齒輪結(jié)構(gòu)等小型構(gòu)件。

圖1為Pauly等[12]采用SLM技術(shù)，高溫熔化鐵基非晶粉體制造出的支架結(jié)構(gòu)，證明了SLM技術(shù)能夠制備出非晶合金部件。但其研究尚未成熟，過高的冷卻速率及鐵基材料有限的延展性能使得試樣出現(xiàn)了微裂紋和氣孔等組織缺陷，降低了材料的軟磁性能，同時(shí)由于原料粉體少量雜質(zhì)的引入，降低了材料的玻璃形成能力，導(dǎo)致部分晶化現(xiàn)象的出現(xiàn)。由此Pauly提出了通過調(diào)整加工參數(shù)和合金成分來降低試樣表面粗糙度與孔隙率，抑制裂紋產(chǎn)生的方法。隨后，Jung等[13]研究了SLM工藝參數(shù)對(duì)微觀組織演變和材料熱、磁性能的影響。他們發(fā)現(xiàn)試樣中的孔隙可分為規(guī)則的球形和不規(guī)則的鑰匙孔形，不規(guī)則氣孔是熔體的不完全填充造成的，而球形氣孔是熔體冷卻過快截留在粉末中的氣體來不及逸出造成的，采用降低掃描速率或提高激光功率的方法可將孔隙完全消除。而裂紋的產(chǎn)生則是熱的激光加工層和溫度相對(duì)低的底層熱量分布不均勻造成的，當(dāng)熔體快速凝固時(shí)，加工層收縮效應(yīng)將不可避免地導(dǎo)致與已凝固底層的界面處產(chǎn)生較高應(yīng)力，而金屬玻璃較低的延展性和斷裂韌性，最終造成了裂紋的產(chǎn)生。Jung等提出通過提高基底溫度可以減少熔體和凝固層的溫度差，避免微裂紋的產(chǎn)生，并通過對(duì)SLM工藝參數(shù)的優(yōu)化，使得試樣致密度超過99%，保持了鐵基非晶合金優(yōu)異的軟磁性能。但是，基底溫度的升高也會(huì)導(dǎo)致冷卻速率的降低，因此應(yīng)使用玻璃形成能力高的材料以彌補(bǔ)降低的冷卻速率。

圖1 鐵基非晶三維支架結(jié)構(gòu)[12]Fig.1 Scaffolds of Fe-based metallic glass[12]

西澳大學(xué)的Li等對(duì)SLM成形非晶合金的組織結(jié)構(gòu)演變和工藝優(yōu)化做了較為系統(tǒng)的研究。首先，通過不同激光功率的單道掃描，系統(tǒng)對(duì)掃描道的致密化、微觀組織演變、相變以及力學(xué)性能展開了研究[14]，發(fā)現(xiàn)掃描道的形貌取決于激光束的能量分布及熔池內(nèi)傳導(dǎo)與對(duì)流換熱的競(jìng)爭(zhēng)。由于激光能量的高斯分布及熱量傳輸過程，掃描道的不同區(qū)域有著不同的熱經(jīng)歷，使掃描道間產(chǎn)生組織梯度。激光功率越高熱應(yīng)力就越高，越易產(chǎn)生裂紋，而在非常低的激光功率下沒有充足的能量使所有粉末顆粒熔化，導(dǎo)致大量鱗狀孔隙產(chǎn)生，這將會(huì)降低掃描道的強(qiáng)度也會(huì)導(dǎo)致裂紋的產(chǎn)生。在高激光功率下的熱波動(dòng)會(huì)造成化學(xué)成分分布不均勻，從而造成金屬玻璃晶化現(xiàn)象的發(fā)生，結(jié)晶現(xiàn)象通常發(fā)生在熱影響區(qū)和熔池的邊界，通過選擇合適的激光功率可以抑制裂紋和晶化現(xiàn)象的發(fā)生。這些發(fā)現(xiàn)為SLM成形塊體非晶合金工藝提供了重要的技術(shù)理論支撐。在SLM成形中，基底溫度對(duì)試樣和基底的界面結(jié)合起著至關(guān)重要的作用[12]，因此Li等研究了基底溫度對(duì)試樣和基底界面結(jié)合的影響[15]，結(jié)果顯示：在高的基底溫度下，熔池的體積增大，材料與基底間的熱量傳輸增強(qiáng)，這保證了熔池邊緣得以保持較高的冷卻速率，從而避免界面晶化現(xiàn)象的發(fā)生，同時(shí)也保證了試樣與基底間良好的結(jié)合能力。此外，Li等通過研究不同掃描參數(shù)和掃描策略，指出高的能量密度能夠得到高冷卻速率，但同時(shí)高能量也會(huì)破壞熔池中的化學(xué)均勻性，因此在SLM成形過程中低的能量密度可以得到具有均勻元素分布的無晶化試樣。Li等研究不同掃描策略時(shí)發(fā)現(xiàn)，多次掃描可以使熔體流動(dòng)更為均勻，從而得到更均勻的元素分布；因此，可以通過控制工藝參數(shù)進(jìn)而控制鋯基非晶相的形成、微觀組織和力學(xué)性能[16]。對(duì)其進(jìn)行進(jìn)一步研究，發(fā)現(xiàn)非晶合金在過冷液體區(qū)域(SCLR，開始于玻璃化轉(zhuǎn)變溫度Tg附近)附近具有超塑性，在該區(qū)域內(nèi)殘余應(yīng)力可以通過材料的黏性流快速降低[17]。這是由于Tg小于熔點(diǎn)，所以較低的能量即可將材料加熱至SCLR，這樣不僅能降低材料的冷卻速率，還能將累積的熱應(yīng)力降至最低[18]；因此Li等采取重熔法阻止裂紋的產(chǎn)生和長(zhǎng)大[19]。第一次掃描將粉體顆粒熔化，第二次掃描采用較低的激光功率消除應(yīng)力。通過該方法成功制備出無裂紋Al85Ni5Y6Co2Fe2非晶合金齒輪，如圖2所示[19]。

圖2 Al85Ni5Y6Co2Fe2非晶齒輪圖片[19]Fig.2 Photo of an Al85Ni5Y6Co2Fe2 bulk metallic glass gear[19]

1.2 LSF制備非晶合金

LSF與SLM技術(shù)相近，同樣是采用高功率激光將粉末熔化并凝固成形，也被應(yīng)用于非晶方面的研究。相較于SLM成形，LSF研究偏向基礎(chǔ)的微觀結(jié)構(gòu)。

西北工業(yè)大學(xué)林鑫等將已鑄造的鋯基非晶合金進(jìn)行LSF重熔，觀察其晶化現(xiàn)象。實(shí)驗(yàn)表明，重熔的部分依然為非晶態(tài)，重熔4次以后，由于結(jié)構(gòu)弛豫的積累，在熱影響區(qū)形成Cu10Zr7樹枝晶。在LSF成形鋯基非晶合金過程時(shí)不同熱應(yīng)力導(dǎo)致的復(fù)雜微觀結(jié)構(gòu)，從熔池到熱影響區(qū)出現(xiàn)了周期性重復(fù)的微觀梯度組織(非晶，NiZr2納米晶+非晶，NiZr2等軸晶+非晶，Cu10Zr7樹枝晶+ NiZr2納米晶)[20]。林鑫等研究了不同粒度粉末在LSF中的晶化規(guī)律，當(dāng)粉末粒度為53～75μm時(shí)，重熔區(qū)的高溫度和長(zhǎng)時(shí)間可以提高其穩(wěn)定性，使得重熔區(qū)和熱影響區(qū)無晶化現(xiàn)象。同時(shí)，他們采用該粒度粉末制備了5層非晶，其非晶度達(dá)到78.7%(體積分?jǐn)?shù))，且晶化現(xiàn)象并沒有隨著層數(shù)增加而嚴(yán)重[21]。

綜上所述，利用3D打印技術(shù)已成功制造出了具有相對(duì)復(fù)雜結(jié)構(gòu)的立體非晶合金材料，但試樣中氣孔、微裂紋和晶化等微觀缺陷降低了材料的致密度與使用性能，這些都是3D打印制備非晶合金材料亟待解決的難題。目前部分學(xué)者已經(jīng)開展了相關(guān)研究，闡述了裂紋、晶化等組織缺陷的產(chǎn)生原因及機(jī)制，并且提出了一些消除缺陷的手段，取得了一定進(jìn)展。但目前3D打印制備非晶合金的研究尚不夠系統(tǒng)和深入，因此，對(duì)該技術(shù)的工藝優(yōu)化及組織調(diào)控的基礎(chǔ)研究是非常必要的。

2 3D打印成形存在問題

3D打印技術(shù)目前尚未完全成熟，在成形過程中涉及球化、孔隙、裂紋、微觀組織、表面粗糙度、尺寸精度等問題。

2.1 球化

在SLM成形過程中，理論上球形金屬粉末經(jīng)過激光熔化后會(huì)較為平整地鋪在掃描道上。實(shí)際成形時(shí)，部分粉末熔化后的液態(tài)金屬與基板表面潤(rùn)濕差，而這部分液態(tài)金屬在吉布斯自由能最低原理的作用下分離成大量的球形或橢球形固態(tài)，這種現(xiàn)象即為SLM中的球化現(xiàn)象[22-27]。球化現(xiàn)象會(huì)導(dǎo)致孔隙的形成，降低金屬致密度，增加表面粗糙度，顯著影響金屬的力學(xué)性能，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)?dǎo)致鋪粉輥無法移動(dòng)，零件成形失敗，如圖3所示[28]。LSF與SLM原理類似，雖然在成形過程中不存在鋪粉輥無法移動(dòng)的問題，但潤(rùn)濕性差依然會(huì)導(dǎo)致球化，形成孔隙，使得金屬不致密。

圖3 SLM成形中球化機(jī)制示意圖[28]Fig.3 Diagrammatic sketch of balling mechanism by SLM[28]

2.2 孔隙

孔隙也是由于球化引起的3D打印的缺陷，同樣會(huì)影響金屬力學(xué)性能及成形件完整性。目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者主要通過改變不同工藝參數(shù)分析其對(duì)孔隙的影響規(guī)律，其機(jī)理較為復(fù)雜，目前該基礎(chǔ)理論的研究較少。李瑞迪研究了不同鋪粉層厚的成形，結(jié)果表明，當(dāng)增大粉層厚度時(shí)，SLM成形極易球化，從而產(chǎn)生孔隙，嚴(yán)重影響制件表面質(zhì)量[28]。

2.3 微觀組織

3D打印由于特殊的成形方式，在成形過程中經(jīng)歷了復(fù)雜的熱作用過程，從而具有其獨(dú)特的微觀組織，而金屬材料的微觀組織對(duì)其性能有決定性作用[29]，這就使得揭示金屬的微觀性能及其對(duì)性能的影響尤為重要。

2.4 表面粗糙度

3D打印制件部分是用于航空航天或者其他精密零部件，因此，表面質(zhì)量和精度是其重要的評(píng)價(jià)指標(biāo)。很多零件都有表面粗糙度的要求，以避免在使用中過早失效，現(xiàn)有3D打印成形零件表面均需要后處理才能達(dá)到應(yīng)用的表面要求，而這些后處理步驟使得3D打印快速成形的優(yōu)勢(shì)有所降低并且會(huì)增加成本。

目前涉及的這些缺陷，是影響成形件的制備及應(yīng)用的主要因素，雖然晶態(tài)合金的研究已經(jīng)較為成熟，但非晶態(tài)合金的3D打印研究才剛起步，作為新型材料，這些缺陷還需要通過成形參數(shù)、制備工藝及粉末改進(jìn)等進(jìn)一步調(diào)節(jié)。

3 3D打印消除微觀缺陷方法

為消除微觀缺陷，科研人員已經(jīng)對(duì)3D打印技術(shù)生產(chǎn)晶體及陶瓷材料等領(lǐng)域進(jìn)行了一定深度的研究，主要采用了重熔、退火、基底預(yù)熱、粉體預(yù)熱及改變掃描策略等方法，有效地減弱或消除微觀缺陷的產(chǎn)生，對(duì)于3D打印非晶合金工藝具有很大的借鑒作用，部分方法在非晶合金的研究中已經(jīng)得到應(yīng)用。

3.1 重熔

通常激光重熔方法主要用于材料表面改質(zhì)處理，例如降低表面粗糙度及增加致密度，提高強(qiáng)度來增強(qiáng)耐磨性和腐蝕性等[30-31]。Shiomi等研究表明，當(dāng)SLM工藝加工金屬粉末時(shí)，通過加熱凝固層可以減少加工過程中的殘余應(yīng)力，因此每掃描一層后用同樣的激光束再次對(duì)其進(jìn)行掃描，最終試樣中的殘余應(yīng)力減少了55%[32]。之后，Yasa等對(duì)重熔策略進(jìn)行了更為系統(tǒng)的研究[33]。通過多次改變二次掃描參數(shù)的對(duì)比實(shí)驗(yàn)，他們發(fā)現(xiàn)高的二次掃描速率(100～200mm/s)與低的激光功率(85W)組合可以提高試樣的致密度。為保證掃描軌道間的良好連接，掃描間距應(yīng)足夠低，但軌道重疊過高(a=0.05)并不會(huì)有效降低孔隙率。通過重熔的方法制成的316不銹鋼部件致密度幾乎達(dá)到100%，表面粗糙度降低90%[34]。

3.2 退火

3D打印成形過程中的加熱和冷卻速率較高(103～108K/s)，適合成形大尺寸非晶合金。然而，高的加熱與冷卻速率也會(huì)導(dǎo)致高溫和殘余應(yīng)力，引起溫度梯度，熱膨脹和收縮以及不均勻塑性變形。對(duì)于鋁合金、鈦合金、鐵基合金等，應(yīng)力會(huì)使正在成形的零件變形或分層，導(dǎo)致成形失敗，而非晶合金固有的脆性會(huì)使得這個(gè)現(xiàn)象更嚴(yán)重；因此，在成形過程中，采用低功率激光退火來降低應(yīng)力，抑制裂紋顯得非常重要。Krakhmalev等通過模擬獲得的實(shí)驗(yàn)中熱影響歷程與真實(shí)情況有較高的吻合度，這使得后續(xù)研究可以先通過模擬結(jié)果確定所需的退火功率，為實(shí)驗(yàn)提供指導(dǎo)[35]。Li在成形Al85Ni5Y6Co2Fe2非晶合金的過程中首先采用625mm/s的速率和200W的功率熔化粉末，然后在不改變掃描速率的情況下通過80W的激光功率對(duì)成形的熔化道進(jìn)行退火處理[17]。由于后續(xù)激光掃描使其具有較低的溫度梯度，因此采用低功率激光退火可以有效抑制裂紋的產(chǎn)生最終成形出Al85Ni5Y6Co2Fe2非晶齒輪。

3.3 基底和粉體預(yù)熱

基底和粉體的預(yù)熱也是3D打印改善成形性能的方法之一，許多學(xué)者對(duì)基底預(yù)熱的方法進(jìn)行了相關(guān)報(bào)道。宋波等對(duì)金屬間化合物FeAl進(jìn)行了單軌道形貌研究，設(shè)定基底溫度為200℃，發(fā)現(xiàn)基底預(yù)熱方法可以提高熔體與基底或凝固層間的潤(rùn)濕性，抑制熔體凝固過程中的收縮效應(yīng)，產(chǎn)生良好的冶金結(jié)合效果[36]。Yadroitsev等也得到了類似的結(jié)論，并指出，當(dāng)基底溫度過高時(shí)(500℃)，部分粉末顆粒會(huì)形成團(tuán)聚物黏附在熔池附近，當(dāng)溫度繼續(xù)增加(700～900℃)，球化現(xiàn)象顯著加劇[37]。Shiomi等通過加熱基底提高金屬粉體的溫度，降低SLM加工過程中的冷卻速率，當(dāng)基底溫度加熱到160℃時(shí)，殘余應(yīng)力減少了40%[32]。在大多數(shù)的3D打印工藝中，通常采用預(yù)熱基底的方法來預(yù)熱粉體。Liu等在對(duì)ZrO2-Y2O3陶瓷粉體加工過程中，在粉體被熔化前預(yù)先用激光束進(jìn)行加熱，對(duì)陶瓷樣品中孔隙和裂紋的產(chǎn)生機(jī)制進(jìn)行了詳細(xì)的研究，并指出在高的預(yù)熱溫度下，有序的裂紋可以轉(zhuǎn)化為無序的短裂紋，致密度顯著提高[38]。

如上所述，對(duì)于非晶合金，基底加熱對(duì)提高材料與基底的冶金結(jié)合效果、去除應(yīng)力具有重要作用，由于基底溫度對(duì)材料在加熱過程中的熱經(jīng)歷，尤其是冷卻速率有著重要影響，因此預(yù)熱基底還可以抑制晶化現(xiàn)象的發(fā)生。

3.4 第二相調(diào)節(jié)

3D打印大部分合金材料易出現(xiàn)周期性裂紋，為此，Martin等通過引入納米粒子來控制3D打印過程中的凝固，為7075和6061鋁合金的霧化粉末加上表面氫化鋯納米粒子涂層，再使用3D打印技術(shù)成形出了無裂紋痕跡，強(qiáng)度堪比鍛造材料的鋁合金[39]。非晶合金作為脆性相，極易在3D打印成形過程中產(chǎn)生微裂紋，進(jìn)而導(dǎo)致塊體開裂；因此，在非晶合金成形過程中，參考晶態(tài)合金的成形方法，可向其中加入韌性相，將非晶粉末與韌性合金粉末(如Cu)混合，在3D打印成形中將其熔化并凝固，采用第二相調(diào)節(jié)的方法以減少非晶合金的裂紋。

3.5 改變掃描方式

華中科技大學(xué)付立定對(duì)各種掃描方式進(jìn)行了簡(jiǎn)單的總結(jié)，大致分為分組變向、分塊變向、跳轉(zhuǎn)變向、內(nèi)外螺旋4種，其掃描路徑如圖4所示[40]。

圖4 各種掃描方式示意圖 (a)分組變向；(b)分塊變向;(c)跳轉(zhuǎn)變向;(d)內(nèi)外螺旋[40]Fig.4 Diagrammatic sketch of different scanning strategy(a)group transshape;(b)partitioned transshape;(c)jump transshape;(d)internal and external spiral[40]

如圖4(a)所示，分組變向即為激光在成形面Z字形掃描一層，之后，鋪粉輥將下一層粉末鋪展，激光旋轉(zhuǎn)90°(與上一層垂直)再Z字形掃描一遍。

在制備較大的金屬零件時(shí)，采用分組變向單道掃描線長(zhǎng)度過長(zhǎng)，不利于液態(tài)金屬的均勻過渡和連接，為此，將較大金屬零件每層輪廓分為多個(gè)小區(qū)域進(jìn)行掃描，即分塊變向。但是在較大的掃描間距下，這種掃描方式在每個(gè)區(qū)域的交界處容易產(chǎn)生球化，一方面是由于先成形的塊對(duì)后面成形的塊提供了有吸附力的斜坡，引起局部金屬液相量堆積，另一方面掃描端點(diǎn)溫度場(chǎng)的不對(duì)稱及較大的溫度梯度造成了端點(diǎn)球化現(xiàn)象，激光掃描線間的耦合作用使端點(diǎn)球化現(xiàn)象隨掃描線的增加而逐漸顯著，如果沒有足夠的重熔來消除，球化就會(huì)在成形面顯現(xiàn)出來。

圖4(c)所示掃描方式的使用是基于以下兩點(diǎn)優(yōu)勢(shì)：一是采用跳轉(zhuǎn)變向可以對(duì)零件進(jìn)行二次掃描，起到激光表面處理的效果，在每層的加工過程中可以得到光亮的加工表面，有利于下一層的鋪粉均勻而且上下層間結(jié)合效果也能得到改善；二是在前后兩次掃描按相反的方向，可以消除部分內(nèi)應(yīng)力，同時(shí)減少第一次掃描球化的累積。

內(nèi)外螺旋的掃描方式對(duì)截面輪廓是圓的零件具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，可以使掃描線均勻過渡，對(duì)其他形狀的零件加工也具有優(yōu)于別的掃描方式的特點(diǎn)。由于掃描線不呈直線相加，可以減少零件內(nèi)部的熱變形累積，同時(shí)也減少成形過程激光通斷次數(shù)(激光掃描線起點(diǎn)需要開通和關(guān)閉)。但這種成形方式也有它的缺點(diǎn)，在掃描實(shí)體零件時(shí)，由于最內(nèi)層的圓直徑特別小，激光一直打在一個(gè)點(diǎn)上，容易把粉末打掉產(chǎn)生飛濺或使金屬汽化，直到圓直徑擴(kuò)大到一定的值才能獲得均勻的成形，產(chǎn)生空的內(nèi)層輪廓。所以這種掃描方式比較適合內(nèi)層是空的截面掃描；或者可以和其他掃描方式復(fù)合，先加工好內(nèi)部一定直徑范疇內(nèi)的輪廓，再用內(nèi)外螺旋得到良好的整體成形質(zhì)量。

通過對(duì)內(nèi)外螺旋掃描和分組變向掃描進(jìn)行對(duì)比，Qian等發(fā)現(xiàn)螺旋掃描的方法更有利于減少扭曲變形現(xiàn)象，適合制造非圓環(huán)或圓柱形的復(fù)雜結(jié)構(gòu)部件[41]。Lu等對(duì)分塊掃描進(jìn)行了進(jìn)一步的研究，分別采用分塊尺寸2mm×2mm,3mm×3mm,5mm×5mm和7mm×7mm制造Inconel-718部件，指出分塊掃描策略可以有效減少殘余應(yīng)力，從而避免生產(chǎn)過程中的變形和裂紋，并且在研究范圍內(nèi)，部件的致密度隨分塊尺寸的增大而增大(99.10%)[42]。

上述均為3D打印成形中消除缺陷的常用方法，國(guó)內(nèi)外學(xué)者在研究過程中也將其中部分如預(yù)熱和重熔應(yīng)用于消除3D打印非晶合金缺陷上，因此微觀組織和性能得到提升。但是目前這些方法的研究還較少，后續(xù)仍需對(duì)各類材料進(jìn)行深入的研究。

4 結(jié)束語(yǔ)

非晶合金由于其特殊的力學(xué)和磁學(xué)性能，因而具有廣泛的應(yīng)用前景。由于加工過程中高的冷卻速率，3D打印技術(shù)具有制造塊體金屬玻璃的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。但是目前關(guān)于3D打印成形非晶合金的研究較少，機(jī)理不深入，并且由于高的溫度梯度和熱波動(dòng)等原因，制備非晶合金極易出現(xiàn)孔隙、微裂紋及晶化等微觀缺陷，限制了其產(chǎn)品的致密度和使用性能，因此采用3D打印成形的非晶材料暫時(shí)沒有得到廣泛應(yīng)用。目前3D打印成形非晶合金調(diào)控缺陷的方法主要分為兩類，一是通過工藝窗口的調(diào)控，選擇合適的激光功率、掃描速率等方式控制缺陷產(chǎn)生；二是通過激光退火或基底預(yù)熱對(duì)非晶合金進(jìn)行處理，從而消除3D打印技術(shù)的制備缺陷。但前者針對(duì)性較差，沒有普遍規(guī)律且無法完全抑制晶化和裂紋的形成；后者只能解決非晶合金易開裂的問題，對(duì)裂紋類缺陷有明顯的效果，但無法改善晶化問題。

然而，非晶合金的應(yīng)用前景以及3D打印成形的可行性均得到了證實(shí)，隨著更加深入的研究，同時(shí)借鑒3D打印在成形晶態(tài)合金時(shí)采用的消除微觀缺陷的方法，在今后的研究中，重點(diǎn)研究裂紋和晶化的消除方法，從根本上建立缺陷與工藝之間的物理模型，闡明缺陷產(chǎn)生和工藝調(diào)控機(jī)理，有望成形出無裂紋無晶化，具有高性能且形狀復(fù)雜的非晶態(tài)合金。此外，非晶合金作為一種強(qiáng)度、硬度及耐磨性極高的合金，作為增強(qiáng)相提升晶態(tài)合金性能比陶瓷相具有更好的相容性，因此非晶增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料也將是一個(gè)重要的研究發(fā)展方向。