面向太空制造的非晶合金材料3D打印研究

3D printing in space serves as a key technology for the development of major space facilities such as future space stations, extraterrestrial bases, and space solar power station. But 3D printing of metal materials in space, with high strength and extraordinary resistance to the space environment, have not been realized. Unlike traditional metals, metallic glasses (MGs) have thermoplastic properties, which is similar to those of polymer materials, in their supercooled liquid region. It is expected to break through the technical bottleneck of 3D printing of metallic materials in space with MGs. Aiming at in-space manufacturing, we propose to 3D print bulk MGs in space based upon their thermoplastic forming ability. The developed MGs with low glass transition temperature and excellent thermoplastic forming ability are the print materials. To design and build a printing device, then we are able to find out the effects of printing processes and microgravity conditions on the thermoplastic forming abilities of MGs. This would enable thermoplastic 3D printing of high-strength bulk MGs without the high-power heat sources such as lasers and electron beams.

太空3D打印是关系未来空间站、地外基地、空间太阳能电站等重大航天设施发展的关键技术。空间环境适应性好、强度高的金属材料太空3D打印是亟需突破的难点问题。不同于传统金属材料，非晶合金材料在过冷液相温度区间拥有与高分子材料相似的热塑性特点，有望突破金属材料太空3D打印的技术瓶颈。本项目面向太空制造，提出开展基于热塑性成型的非晶合金材料太空3D打印研究，通过研制低玻璃化转变温度、优秀热塑性成型能力的非晶合金体系，作为打印原材料，设计并搭建打印装置，研究打印工艺、微重力条件等对非晶合金材料热塑性成型的影响，在不需要激光和电子束等高功率热源的低功耗条件下，实现高强度非晶合金材料热塑性3D打印。

目前，受到火箭运载能力的制约，限制了航天器的尺寸和性能。通过太空制造技术，实现从“地面制造、在轨展开”到“在轨原位制造”的转变，是航天领域的研究新方向。航天器中关键有效载荷需实现特定电、磁等信号的发射、接收、传输等功能，通常采用金属材料制造而成，因此需要发展金属材料太空制造技术。受限于航天器功耗限制，以及微重力、高真空等太空复杂环境影响，金属材料太空制造技术尚未取得突破。.以可在其过冷液相区进行加工、粘接的非晶合金作为原材料，开展太空环境下原材料动力学、热塑性制造工艺和机理研究，开发了适应于太空环境的金属材料太空制造方法，主要取得以下研究成果：.（1）在模拟太空高低温热循环环境下，开展非晶合金动力学行为研究，发现非晶合金发生老化。同时，具有较小脆度值的非晶合金，其内部自由体积的激活能分布较为集中，在太空热场环境下具有较高的热稳定性，由此可作为太空环境下非晶合金原材料选择的依据。.（2）通过研究在太空超高真空条件下非晶合金表面特殊动力学行为，发现了非晶合金表面在263K温度下具有较强的自粘接作用。这种表面特性是由于表面类液层的原子扩散而导致的，且这种特性与温度呈弱耦合关系，有助于实现非晶合金热塑性制造工艺。.（3）利用非晶合金具有高电阻、表面自粘性以及可低温热塑性加工等特点，提出一种模仿蜘蛛结网、可应用于金属材料太空增材制造的工艺方法，研制试验装置，实现了米级薄壁杆件等特殊功能金属部件的热塑性成型制造。.采用综合性能独特的非晶合金条带作为原材料，在开展原材料动力学研究的研究基础之上，以非连续层间粘接方式进行增材制造，不仅可以在提高制造效率，又可降低能耗，对于突破金属太空制造技术有非常重要的意义。