研究人员开发先进激光整形方法，可用于3D打印高致密非晶金属玻璃

        2024年3月31日，来自瑞士先进制造中心和莱奥本山大学的研究人员开发了一种先进的激光束整形方法，可用于块状金属玻璃 (BMG) 的增材制造。在此项目中，研究人员使用整形的激光束制造了几乎完全非晶的致密BMG 样品，从而极大地增强了机械性能。相关研究以题为“Controlling the Glassy State towardStructural and Mechanical Enhancement: Additive Manufacturing of Bulk MetallicGlass Using Advanced Laser Beam Shaping Technology /控制玻璃态以实现结构和机械增强：使用先进激光束成形技术增材制造块状金属玻璃”的论文被发表在《先进功能材料》期刊上。

论文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202311118

      块状金属玻璃 (BMG) 具有卓越的物理/机械性能，非常适合各种应用。激光粉末床熔合 (LPBF) 技术在生产大型且复杂的 BMG 结构方面具有广阔的前景。然而，当前的增材制造机器中使用的非最佳能量分布会导致先前固化的层被大量重新加热。因此，机械特性会受到结构松弛和部分结晶的显著影响。

△高斯光束(a) 成形光束 (b) 的能量密度分布和熔池几何形状。 （图片来源：S Hadibeik 等人）

研究团队使用可调谐的先进激光光束整形技术解决了这个问题，并建立了优化的原子级短程和中程有序性以及提高的屈服/断裂抗压强度。使用光束整形形成浅而宽的熔池几何形状可以增加熔道间距，以更好地控制热历史，从而改善非晶性和再生性。这种更高的再生和无序性可以增加原子迁移率，从而促进剪切带的生成和增殖，从而增强材料的机械强度和延展性。

△a) 原始粉末、b) SB-H、c) SB-L、d)GB-H 和 e) GB-L 样品的高能同步加速器 X 射线衍射图、光学显微照片和 SEM 图像。

目前的研究表明，BMG 零件可以使用自由光束整形技术来制造，从而超越最先进的增材制造技术的能力。尽管机械行为与原始状态不同，需要进一步研究。此外，自由光束整形有可能彻底改变 PBF-LB 工艺，实现与机器学习的无缝集成并更快地优化新材料。

在这项研究中，采用先进的激光束整形来增材制造 AMLOY-Zr01 BMG 合金。先进的材料特性证实了几乎完全非晶态的结构，其增强的性能是目前使用最先进的 LPBF 机器无法实现的。与使用标准高斯光束处理的样品相比，成形光束产生具有较小尺寸晶体分布的增材制造样品。在成形光束样品中，玻璃的原子尺度结构发生了拓扑改变，为变形时的原子运动和剪切带传播提供了更大的自由度。

自由光束整形技术还具有进一步改变 LPBF 工艺开发方式的潜力，特别是对于块状金属玻璃。自由光束整形是一种完全数字控制的技术，可以与机器学习概念无缝集成，因为它消除了初始安装后人工与光学器件交互的需要。此外，由于光学系统非常灵活和可调，新材料的开发过程或特定应用的优化将可能变得更快，同时产生更好的结果（陷入局部最优的风险低）。这可能会导致以前无法使用 LPBF 加工的高性能材料的加工工艺。