金属增材制造工艺指南

非晶金属 3D 打印工艺：实用指南

非晶金属 3D 打印将块体金属玻璃粉末熔化，并在晶体形成之前快速凝固。本指南面向正在判断零件是否适合该工艺的工程师和采购人员。你将了解参数窗口、缺陷模式，以及改用 CNC 加工更合适的场景。

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块体金属玻璃冷却速率 10^3–10^6 K/s层厚 20–50 μm后加工至 ±0.005 mm

本页内容

本文内容

1
要点速览
2
非晶金属 3D 打印工艺的实际作用
3
能承受该冷却速率的几何结构
4
粉末、粒径与气氛控制
5
常见问题及其表现
6
该工艺不适用的场景
7
工艺执行步骤
8
非晶金属增材制造与棒料 CNC 加工对比

快速回答

要点速览

仅限薄壁熔池必须快速冷却才能跳过结晶，因此 0.5–3 mm 的截面是安全区。

氧气是敌人残余 O2 高于约 100 ppm 会增加孔隙率并降低玻璃相比例。

保持低热量整体温度保持在玻璃化转变温度以下，Zr 基合金约为 400–500 °C。

在铣床上完成精加工成形表面约为 Ra 10–20 μm。图纸有要求时加工至 Ra 0.8–1.6 μm。

原理

非晶金属 3D 打印工艺的实际作用

金属玻璃没有晶粒结构。原子呈无序排列而非晶格排列，因此该合金强度高、弹性好、耐腐蚀。问题在于这种结构是亚稳态的。缓慢加热或缓慢冷却都会析出晶体，你想要的性能也随之消失。

激光粉末床熔融能提供所需的快速冷却。激光熔化一薄层粉末，熔池接触下方固态金属和上方气体。热量通过基板导出，熔池在微秒级凝固。冷却速率在 10^3 至 10^6 K/s 之间，足以将无序结构冻结在原位。

关键就在于此。该工艺并不依赖特殊设备，而是用普通金属打印机运行一个狭窄窗口，使热历史保持在玻璃形成范围内。一旦超出窗口，得到的零件看似完好，测试却不合格。

我们在东莞和新加坡开展此类工作，并与常规金属增材制造并行。同样的设备每天都在成形晶态合金。非晶原料改变的是参数组、气氛以及零件所需的后续加工量。

1
Zr 基合金最常见的玻璃形成合金。强度好、成本适中、对氧敏感。
2
Fe 基合金成本低、硬度高、有磁性。玻璃形成能力较低，因此层厚更薄、控制更严。
3
Cu 基和 Ti 基适用于耐磨和医疗领域。工艺窗口比 Zr 基更窄。

设计规则

能承受该冷却速率的几何结构

冷却速率与表面积和体积之比成正比。薄加强筋散热快，20 mm 立方体则不能，其芯部冷却缓慢并发生结晶。这是该工艺最严苛的约束，在选定激光参数之前就决定了大多数零件设计。

图纸允许时，壁厚保持在 0.5 mm 至 3 mm 之间。沿成形方向超过约 4 mm 时，预计会出现晶态芯部和玻璃态表层。这种梯度有时有用，但必须提前设计，而不是在测试报告中才发现。

尖锐内角是第二个问题。它们会集中热量并滞留未熔粉末。功能允许时添加 0.5 mm 圆角。对于 45 度以下的悬垂，添加支撑；无支撑熔池会卷曲并将粉末拖入表面。

排粉孔比人们预想的更重要。中空非晶零件内部滞留的粉末难以清除并增加重量。在每个型腔最低点设置 2–3 mm 孔，并在成形时朝下放置。

1
壁厚0.5–3 mm。低于 0.4 mm 时层可能无法完整成形。
2
实体截面避免超过 4 mm。改用加强筋或点阵结构。
3
内圆角最小 0.5 mm，以减少热量集中。
4
排粉孔2–3 mm，位于型腔最低点。

原料

粉末、粒径与气氛控制

气雾化粉末是标准原料。雾化步骤已使每个液滴快速淬冷，因此颗粒到达时即为非晶态。如果粉末部分结晶，任何激光设置都无法修复零件。要求提供该批次的 XRD 图谱，而不仅是化学成分证书。

对于 20–30 μm 层厚，粒径通常在 15 μm 至 45 μm 之间。较粗的粉末流动性更好，但需要更多能量才能完全熔化。较细的粉末表面质量更好，但对氧污染更敏感。

成形舱氧气应低于 100 ppm，Zr 基合金越低越好。通常使用氩气。每次打开舱室，粉末都会吸湿，因此原料应保存在密封容器中，并在重复使用前干燥。

粉末可以重复使用，但并非无限次。经过多次循环后，氧含量上升，细粉比例发生变化。记录循环次数，并将旧粉与新粉混合使用，而不是 100% 使用回收料。

1
粒径20–30 μm 层厚对应 15–45 μm。
2
舱内氧气低于 100 ppm；Zr 基合金要求更低。
3
粉末检验每批次进行 XRD 和化学成分检测。

缺陷

常见问题及其表现

结晶是最关键的失效模式，而且很隐蔽。零件打印时没有火花或报警，看起来正常。但弯曲试验会显示延性低，或 XRD 扫描在本应是宽晕的位置出现尖锐峰。

孔隙率来自两个方向。粉末颗粒中滞留的气体形成球形孔洞。层间未熔合形成不规则孔洞，通常位于熔池边缘或扫描矢量末端。对每次打印的随炉试样做截面检查，两种缺陷都要看。

残余应力源于冷却速度快且不均匀。薄壁零件没问题。厚件或高件可能在底部开裂或从基板上翘起。将基板预热到 200–300 °C 有帮助，但也会减慢零件冷却，需要权衡。

表面粗糙度是必然的。下表面约为 Ra 15–20 μm，上表面约为 Ra 8–12 μm。如果图纸要求 Ra 0.8–1.6 μm，每个精加工面需预留 0.2–0.5 mm 加工余量。

1
结晶峰XRD 显示尖锐峰。重新检查激光功率和扫描速度。
2
未熔合层界处出现不规则孔洞。提高能量密度。
3
边缘开裂预热基板或降低每次打印的零件高度。

边界

什么时候不该用这个工艺

如果零件是简单的棱柱块，公差紧且无内部流道，先打印再机加工等于付两次钱。直接用棒料或铸件加工。非晶棒料有常见直径现货，CNC 可直接做到 ±0.005 mm，无需粉末批次认证。

如果零件需要 30 mm 厚的全非晶截面，没有任何参数组合能做到。物理规律不允许。改用加强筋或点阵结构重新设计，把零件拆成更薄的件，或选择能容忍较慢冷却的晶态合金。

如果需要数千件相同的小零件，粉末床增材制造的成本结构不合适。只要存在合适的合金，模具费摊销后压铸或金属注射成型更划算。

这个工艺真正值钱的场景：薄壁、复杂、小批量、需要耐磨或弹性行为的零件，以及无法机加工的内部特征。点阵散热器、柔性元件和随形冷却镶件符合这个描述。

1
适合薄壁、内部流道、小批量、耐磨或弹性需求。
2
不适合简单块体、厚截面、大批量小零件。

操作步骤

工艺步骤逐条说明

参数窗口基于激光粉末床系统的 Zr 基合金。正式打印前先用测试试样调整。

1
1. 粉末认证从批次中取 XRD 曲线和化学成分样品。确认宽晕图谱且氧含量低于供应商限值。部分结晶的粉料在进机前就拒收。
2
2. 干燥与装料粉末在 80–120 °C 下干燥 2–4 小时。在氩气下装料。打印过程中保持料斗密封，减少吸湿。
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3. 设置气氛抽真空后用氩气回充，直到残余氧读数低于 100 ppm。Zr 基合金目标低于 50 ppm。等读数稳定后再铺第一层。
4
4. 预热基板将打印基板加热到 200–300 °C。这降低底部的温度梯度，减少零件前 5 mm 开裂的概率。
5
5. 调定熔池起始参数：激光功率 100–200 W，扫描速度 600–1,200 mm/s，层厚 20–30 μm。能量密度约 50–80 J/mm³ 是合理的起点。扫描间距取光斑直径的 60–80%。
6
6. 制作随炉试样在零件旁打印一个 10 × 10 × 10 mm 块体和两条薄筋。对块体做截面查孔隙，对筋条做 XRD。不要为省时间跳过这一步。
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7. 切割、去应力与检测用线切割或锯切将零件从基板取下。在玻璃化转变温度以下去应力，Zr 基合金约 350–400 °C。任何精加工前先测密度、XRD 和硬度。
8
8. 机加工到最终尺寸需要真实表面质量的面留 0.2–0.5 mm。用保守的进给铣削或车削。非晶合金硬且弹性大，轻切削加锋利刀具优于重切削。

决策参考

非晶金属增材制造与棒料 CNC 加工对比

根据几何形状、数量和公差选择路线。

因素	非晶金属 3D 打印	非晶棒料 CNC 加工
壁厚	0.5–3 mm 表现良好	受刀具可达性限制，不受材料限制
实体截面	超过 4 mm 有结晶风险	无热限制
内部流道	可实现随形冷却	仅直钻孔
成形公差	典型 ±0.1 mm，再机加工	直接达到 ±0.005 mm
表面粗糙度	打印态 Ra 8–20 μm	标准 Ra 0.8–1.6 μm
装夹成本	较高，需要粉末和试样	较低，无原料批次成本
最佳数量	1 到几百件	1 到 10,000+
交期	打印加后处理	通常 3–5 天