[发明专利]使用基于粉末的增材制造而生产大块金属玻璃复合材料

说明书

本发明涉及用于生产大块金属玻璃复合材料的方法，其中大块金属玻璃复合材料具有至少两个相，其中第一相是大块金属玻璃，并且其中至少一个其它相选自由晶体金属、金属玻璃、非金属玻璃和陶瓷组成的组。本发明的特征在于该生产是使用基于粉末的增材制造方法进行的。

本发明涉及通过基于粉末的增材制造(additive manufacturing)方法生产大块金属玻璃复合材料的方法，以及通过所述方法生产的大块金属玻璃复合材料。此外，本发明涉及由根据本发明的复合材料制造的三维部件。

自大约50年前在加州理工学院发现金属玻璃以来，金属玻璃一直是广泛研究的主题。多年来，有可能不断改进种材料类别的可加工性和性能。尽管第一批金属玻璃仍然是简单的二元(由两种成分构成)合金，其生产要求10⁶开尔文每秒(K/s)的冷却速率，但较新、较复杂的合金已经可以转变为玻璃态，在几K/s的大大降低的冷却速率。这对过程管理以及可行的成分有相当大的影响。熔体不发生结晶且熔体固化为玻璃的冷却速度称为临界冷却速率。它是系统特定的值，在很大程度上取决于熔体的组成，该值还决定可达到的最大部件厚度。如果人们认为存储在熔体中的热能必须足够快地传输通过该体系，那么很明显，只有具有高临界冷却速率的体系才能制造出厚度薄的部件。因此，最初通常是根据“熔纺”方法制造金属玻璃。在此，将熔体剥离到旋转的铜轮上，并以类似玻璃的方式以厚度为百分之几到十分之几毫米的薄带或薄膜的形式固化。通过开发具有显著降低的临界冷却速率的新型复杂合金，可以越来越多地使用其他生产方法。当今的形成玻璃的金属合金已经可以通过将熔体浇铸到冷却的铜模中而转变为玻璃态。取决于合金，可行的部件厚度为几毫米到几厘米。这样的合金被称为大块金属玻璃(BMG)。今天，已知多种此类合金体系。通常根据组成将它们细分，其中具有最高重量比例的合金元素被称为基础元素。现有体系包括例如基于贵金属的合金，例如基于金、铂和钯的大块金属玻璃；基于前过渡金属的合金如基于钛或锆的大块金属玻璃；基于后过渡金属的体系基于铜、镍或铁，以及基于稀土元素如钕或铽的体系。

与经典的晶体金属相比，大块金属玻璃通常具有以下特性：

-更高的比强度，例如可以使壁厚更薄，

-更高的硬度，从而使表面特别耐刮擦，

-高得多的弹性伸长和回弹性，

-热塑性成型性，以及

-更高的耐腐蚀性。

取决于应用，大块金属玻璃也可能有缺点。

例如，大块金属玻璃在拉伸载荷下经常显示出脆性、灾难性的材料破坏。因此，大块金属玻璃的特定材料应用通常包括单个整体式、大块金属玻璃不能满足或只能部分满足的要求。

包含大块金属玻璃和其他材料组分的复合材料可以在这里提供补救措施。通过将两种或更多种起始材料组合成复合材料，可以将起始材料的性能特征组合在一种材料中。结果，复合材料具有与单个材料明显不同的性能特征。因此，复合材料可以使电、磁、热、力学或其他性能有针对性地调整到相应的要求。

现有技术

制造由大块金属玻璃制成的部件的常规方法是铸造方法。这些方法也部分用于大块金属玻璃复合材料。从现有技术中已知各种方法，利用这些方法可以制造大块金属玻璃复合材料。其中包括沉淀法、各种铸造方法、严重的塑性变形(SPD)和热等静压(HIP)。

例如，从Scientific Reports 3:2097(DOI:10.1038/srep02097)中已知沉淀方法。在此，描述了熔体的锆沉淀，以便从金属玻璃基体中除去和结合氧。从Journal ofMaterials Volume 2013,Article ID 517904,(Title:“Bulk Metallic Glasses andTheir Composites:A Brief History of Diverging Fields”)中，已知各种合金会在冷却过程中在大块金属玻璃基体中形成树枝状沉淀。